金刚石氮空位中心自旋量子调控

量子计算和量子传感近年来受到了广泛的关注.金刚石氮空位中心以其简单稳定的自旋能级结构、高效便捷的光学跃迁规则以及室温下超长的自旋量子态相干时间而成为量子信息科学中引人瞩目的新星.本文从实验研究的角度介绍金刚石氮空位中心自旋量子调控的基础理论、典型技术和代表性结果;重点讨论1)如何通过光磁共振方法在室温大气环境下对单个自旋进行探测和相干操控,2)金刚石中自旋量子比特退相干的主要机制和抑制手段,3)自旋态相干操控技术在量子传感中的应用;最后对氮空位中心在量子计算和量子传感中的发展趋势进行了小结.     

固态单自旋量子控制研究进展

在量子物理领域的研究中,量子控制是必不可少的.精确高效的量子控制,是利用量子系统进行实验研究的前提,也是量子计算、量子传感等应用的基础.金刚石氮-空位色心作为固态自旋体系在室温下相干时间长,可用光学方法实现初始化和读出,通过微波射频场能实现普适的量子控制,是研究量子物理的优秀实验平台.本文从量子控制出发介绍金刚石氮-空位色心体系在量子物理领域取得的代表性成果,主要讨论了1)金刚石氮-空位色心的物理性质和量子控制原理, 2)氮-空位色心的退相干机制, 3)单自旋量子控制的相关应用及最近的研究进展.     

金刚石中氮空位中心在外加磁场下的电子自旋共振

金刚石中单个氮空位中心的电子自旋在激光辐射下能够发出近红外的光致荧光,增加微波辐射可以对其进行量子调控,是室温条件下实现量子计算机的主要介质之一.本文利用激光共聚焦扫描显微系统观测到了金刚石晶体中氮空位中心的荧光二维扫描图,并通过二次相关函数测量验证了氮空位中心是单光子源.改变微波辐射频率得到了电子自旋共振谱,从而实现了对单个氮空位中心的量子调控.利用设计的可控静磁场研究了氮空位中心在不同磁场方向和大小时的光致荧光特性和自旋共振峰.实验结果表明两个电子自旋共振峰间的频率间距与静磁场的旋转角度成余弦函数关系,与理论分析结果一致.     

基于金刚石体系中氮-空位色心的固态量子传感

在室温下,金刚石中的氮-空位(NV)色心具有荧光强度稳定、电子自旋相干时间长以及与生俱来的原子尺寸的特点,是优良的纳米量子传感器.在成像领域中,将各种超分辨成像显微技术应用于NV色心体系,发展出多种高空间纳米分辨率的成像方法.此外,NV色心作为固态量子比特可以通过光学方法对其进行初始化和读取.NV色心电子自旋量子态还可以与电磁场、应力等进行相干耦合.基于这些耦合,科研人员在实验上实现了对相关物理量纳米级空间分辨率的高灵敏表征.目前这些量子传感技术可以应用在新材料、单个蛋白质核自旋、活体神经元等方面的测量中.本综述主要介绍金刚石中NV色心纳米量子传感器件的工作原理、实验实现和优化以及在相关领域的应用.     

金刚石氮-空位色心的原子自旋声子耦合机理

金刚石氮-空位色心结构因在量子精密测量领域的高灵敏度优势而备受关注.本文引入耦合声子场对氮-空位色心原子自旋进行共振调控,以提高氮-空位色心的自旋跃迁效率.首先,基于波函数和晶格的点阵位移矢量关系,分析了声子与晶格能量交互作用,研究了基于声子共振调控的氮-空位色心的自旋跃迁机理,建立了基于应变诱导的能量转移声子-自旋交互耦合激发模型.其次,基于氮-空位色心晶格振动理论,引入满足布洛赫定理的系数矩阵,建立了不同轴向氮-空位色心第一布里渊区特征区域的声子谱模型.同时,基于德拜模型,考虑热膨胀效应,解析该声子共振系统的声子热平衡性质,并对其比热模型进行研究.最后,基于分子动力学仿真软件CASTEP和密度泛函理论进行第一性原理研究,构建了声子模式下不同轴向氮-空位色心的结构优化模型,并分析了其结构特性、声子特性和热力学特性.研究结果表明,系统声子模式的演化依赖于氮-空位的占位,声子模式强化伴随着热力学熵的降低.含氮-空位色心金刚石的共价键较纯净无缺陷金刚石更弱,热力学性质更不稳定.含氮-空位色心金刚石的声子主共振频段处于THz量级,次共振频率约为[800,1200]MHz.根据次共振频段设计叉指宽度为1.5μm的声表面波共振机构,其中心频率约为930 MHz.在该声子共振调控参数条件下,声子共振调控方法可有效增大氮-空位色心的自旋跃迁概率,实现氮-空位色心原子自旋操控效率的提高.     

固态金刚石氮空位色心光学调控优化

在金刚石氮空位色心的高灵敏传感探测研究中,光学调控是氮空位色心实现高效光学初态制备及信息提取的关键.本文基于高浓度的金刚石氮空位色心系综检测展开,采用脉冲光学探测磁共振技术,系统地研究了激光初态极化时间、信息读取时间与激光功率的关联特性,并进一步研究了激光入射偏振角与传感信息精度的关系.探究了各个激光参数对高浓度金刚石氮空位色心系综[111]轴上光学探测磁共振谱中第一个共振峰的影响,并通过实验结果进行分析,最终选取在光功率密度为45.8 W/cm~2下的最优实验参数(300μs的极化时间, 700 ns的读取时间,激光入射角为220°)进行了光学磁探测共振测试,与优化前的实验参数(极化时间为50μs,读取时间为3000 ns,入射角度为250°)相比,典型的磁检测灵敏度由21.6 nT/Hz1/2提升到5.6 nT/Hz1/2.以上研究结果表明我们已经实现光学精密调控的优化测量,这些研究结果也为高浓度氮空位色心系综精密调控实现温度和生物成像、量子计算及量子信息等领域调控传感检测提供了有效参考.     

基于金刚石氮-空位色心的精密磁测量

磁是一种重要的物理现象,对其进行精密测量推动了许多科技领域的发展.各类测磁技术,包括霍尔传感器、超导量子干涉仪、自旋磁共振等,都致力于提升空间分辨率和灵敏度.近年来,金刚石中的氮-空位色心广受关注.这一固态单自旋体系具有许多优点,例如易于初始化和读出、可操控、具有较长相干时间等,这使得它不仅在量子信息、量子计算等领域崭露头角,而且在量子精密测量上显现出巨大的应用前景.基于氮-空位色心,利用动力学解耦、关联谱等技术,已实现若干高灵敏度、高分辨率的微观磁共振实验,其中包括纳米尺度乃至单分子、单自旋的核磁共振和电子顺磁共振.氮-空位色心也可以用于微波和射频信号的精密测量.本文对围绕上述主题开展的一系列研究工作进行综述.     

脉冲强磁场磁特性科学测量系统及其应用

作为一种极端条件下的实验技术,脉冲强磁场下的磁化测量在磁性材料等研究领域发挥着重要作用。武汉国家脉冲强磁场科学中心建成了两套先进的脉冲强磁场磁化测量系统,并已对外开放运行。文章介绍了该测量系统的组成、测量原理和系统特点,以及该系统在量子磁性材料、功能磁性材料、强关联材料等研究领域中的应用,并对未来的发展提出了展望。     

氮对金刚石缺陷发光的影响

利用低温显微荧光光谱研究了IIa型、Ib型、Ia型金刚石的缺陷发光性质. 研究发现, 随着氮含量增加, 间隙原子及空位逐渐被氮原子所束缚, 从而使得GR1中心、533.5 nm及580 nm中心等本征缺陷发光减弱, 而氮-空位复合缺陷(NV中心)及523.7 nm中心等氮相关缺陷发光增强. 高温退火后, 间隙原子与空位可以自由移动, IIa型金刚石中出现了NV⁰中心, Ib型金刚石中只剩下了NV中心, Ia型金刚石中氮原子之间发生团聚, 出现了H3中心及N3中心. 另外, 氮作为施主原子, 有利于负电荷缺陷的形成, 如3H 中心、NV^- 中心.     

金刚石纳米颗粒中氮空位色心的电子自旋研究

通过电子注入的方法制备了含氮空位色心单光子源的金刚石荧光纳米颗粒. 自旋回声测试结果表明, 纳米颗粒中氮空位色心的相干时间T₂很短, 介于0.86 μs至5.6 μs之间. Ramsey干涉条纹测试结果表明, 氮空位色心NV1点的退相干时间T₂^* 最大, 为0.7 μs, 其电子自旋共振谱可分辨的最小线宽为1.05 MHz. 并且NV1点的电子自旋共振谱可分辨氮空位色心本身的¹⁴N核自旋与 氮空位色心电子自旋之间的2.2 MHz超精细相互作用, 这对于在金刚石纳米颗粒中实现核自旋的操控和多个量子比特的门操作具有重要意义. 关键词： 纳米颗粒 氮空位色心 电子自旋     

光纤腔耦合碳化硅薄膜的理论计算

半导体材料中的自旋色心是量子信息处理的理想载体,引起了人们的广泛兴趣.近几年,研究发现碳化硅材料中的双空位、硅空位等色心具有与金刚石中的氮-空位色心相似的性质,而且其荧光处于更有利于光纤传输的红外波段.然而受限于这类色心的荧光强度和谱线宽度,它们在量子密钥分发和量子网络构建等方面的实际应用依然面临严峻的挑战.利用光学腔耦合自旋色心实现荧光增强和滤波将能有效地解决这些难题.将光纤端面作为腔镜,并与自旋色心耦合可以实现小模式体积的腔耦合,而且天然地避免了需要再次将荧光耦合进光纤而造成损耗的缺点.本文理论计算了耦合碳化硅薄膜的光纤腔的性质和特征.首先通过优化各项参数包括薄膜表面粗糙度、腔镜反射率等,理论分析了存在于光纤腔中的不同模式的特点,以及光纤腔耦合色心的增强效果及相关影响因素.进一步地研究了对开放腔而言最主要的影响因素—振动对腔性质、色心的增强效果以及耦出效率的影响,最终得到在不同振动下的最大增强效果以及对应的耦出透射率.这些结果为今后光纤腔耦合色心的实验设计提供了最直接的理论指导,为实验的发展和优化指明了方向.     

中国科学院物理研究所极端条件物理重点实验室

极端条件物理重点实验室是由原中科院极低温物理开放实验室和中科院物理所部分低温、高压方面的研究组于2000年联合组建而成的,在各种极端实验条件的综合交叉,以及利用这些极端实验条件进行物理研究方面有很好的基础,无论是在低温物理、强磁场物理、高压物理,还是极低温技术、强磁场实验技术、高压直至液氦条件实验设备和装置的研制、维护等方面均有很强的实力,是我们国家在极端条件物理研究领域人才最集中、最全面的研究机构之一。     

应变测量在综合物性测量系统中的拓展与应用

将TDS-102数据采集仪的应变测量模块与综合物性测量系统(Phvsics Property Measurement System,PPMS)提供的极端物理条件相结合,不仅拓宽了材料应变测量环境,而且也实现了极低温(低至1.9 K)和强磁场(大至9 T)条件下材料的应变特性表征.同时,以铁磁性形状记忆合金材料Ni-Co...     

金刚石氮-空位色心单电子自旋的电场驱动相干控制

金刚石氮-空位(nitrogen-vacancy,NV)色心量子体系因在室温条件下具有可实现单自旋寻址与操控、长量子相干时间等独特优势,在固态量子计算、量子精密测量等领域展现了巨大的应用潜力,其中单自旋的精确操控技术对于NV色心应用的发展尤为关键.NV色心量子体系中常用的自旋操控方法都是通过共振的交变磁场来驱动和操控NV色心电子自旋.本文开展了利用交变电场对NV色心电子自旋进行调控的技术研究.通过电极所产生的交变电场成功驱动了NV色心自旋在|ms=-1>与|ms=+1>两个△ms=±2的磁禁戒能级间的跃迁,并观测到受控自旋在相关能级的布居度周期性变化而展现出的Rabi振荡现象.进一步的研究表明,电场驱动Rabi振荡的频率受驱动电场功率的调控,与驱动电场的共振频率无直接关系.将自旋电控制技术与磁控制技术方法相结合,能够实现对NV色心3个自旋能级间直接跃迁的全操控.自旋电控制技术的发展将进一步推动NV色心量子体系在量子模拟、量子计算、电磁场的精密测量等领域研究和应用的发展.     

金刚石集群氮空位(NV)色心自旋态调控设计与实现

金刚石氮空位(nitrogen vacancy,NV)中心的天然能级系统可以在激光泵浦和微波辐射下进行初始化、量子操控和光学读取。实验中需外加特定激光泵浦和微波辐射来实现对NV色心自旋态的操控,并通过荧光数布居变化来表征自旋态。本文基于LabVIEW软件,设计开发了集群NV色心自旋态调控与读出软件系统。结果显示,本系统可以实现对激光和微波脉冲序列的精确编码,编码精度可达3ns,并初步得到了室温下集群NV色心的电子自旋共振谱线,为下一步集群NV色心自旋态调控研究的自动化、集成化奠定了基础。     

基于金刚石NV色心的纳米尺度磁场测量和成像技术

纳米级分辨率的磁场测量和成像是磁学中的一种重要研究手段.金刚石中的单个氮-空位点缺陷电子自旋作为一种量子传感器,具有灵敏度高、原子级别尺寸、可工作在室温等诸多优势,灵敏度可以达到单核自旋级别,空间分辨率达到亚纳米.将这种磁测量技术与扫描成像技术结合,能够实现高灵敏度和高分辨率的磁场成像,定量地重构出杂散场.这种新型的磁成像技术可以给出磁学中多种重要的研究对象如磁畴壁、反铁磁序、磁性斯格明子的结构信息.随着技术的发展,基于氮-空位点缺陷的磁成像技术有望成为磁性材料研究的重要手段.     

基于金刚石氮-空位色心自旋系综与超导量子电路混合系统的量子节点纠缠

量子纠缠是实现量子计算和量子通信的核心基础,本文提出了在金刚石氮-空位色心(NV centers)自旋系综与超导量子电路耦合的混合系统中实现两个分离量子节点之间纠缠的理论方案.在该混合系统中,把金刚石NV centers自旋系综和与之耦合的超导共面谐振器视为一个量子节点,两个量子节点之间通过一个空的超导共面谐振器连接.具有较长相干时间的NV centers自旋系综作为一个量子存储器,用于制备、存储和发送量子信息;易于外部操控的超导量子电路可执行量子逻辑门操作,快速调控量子信息.为了实现两个分离量子节点之间的纠缠,首先对系统的哈密顿量进行正则变换,将其等价为两个NV centers自旋系综与同一个超导共面谐振器之间的JC耦合;然后采用NV centers自旋-光子混合比特编码的方式,通过调节超导共面谐振器的谐振频率,精确控制体系演化时间,高保真度地实现了两个分离量子节点之间的量子纠缠.本方案还可以进一步扩展和集成,用于构建多节点纠缠的分布式量子网络.     

极端条件下物质磁性的原位测量

温度和压力均是决定物质存在状态的基本热力学要素.低温和高压是现代科学实验最重要的极端条件,为物理、化学、材料和生物等多学科研究提供了新途径,对于发现和认识新现象、揭示新规律具有重要作用.极端条件下物质的磁性研究是极端条件研究的重要分支,不仅给出了物质在极端条件下的磁性变化,而且是研究高温超导体的重要手段.本文阐述了高压下物质磁化率和超导转变温度测量的原理和方法,并简要介绍了设计、搭建的低温高压下物质磁性原位测量系统.利用此系统测量了铁在高压下的磁性转变以及钇钡铜氧样品在高压下的超导转变温度.     

光子自旋霍尔效应及其在物性参数测量中的应用

光子自旋霍尔效应是指光束在非均匀介质中传输时,自旋角动量相反的光子在垂直于入射 面的方向发生的横向自旋相关分裂。光子自旋霍尔效应可以和电子自旋霍尔效应作类比：自旋光 子扮演自旋电子的角色,折射率梯度扮演外场的角色。光子自旋霍尔效应源于光的自旋-轨道相互 作用,和两类几何相位有关：一类是动量空间的自旋重定向Rytov-Vlasimirskii-Berry 相位;另 一类是斯托克斯参数空间的Pancharatnam-Berry 相位。光子自旋霍尔效应对物性参数非常敏感, 结合量子弱测量技术,在物性参数测量、光学传感等领域具有重要的应用前景。本文将简单分析 光子自旋霍尔效应的物理根源,回顾近几年不同物理系统中光子自旋霍尔效应的研究进展,介绍 光子自旋霍尔效应在物性参数测量中的应用。最后,展望其在光学模拟运算、显微成像、量子成 像等领域的可能发展方向。     

基于自旋体系的量子机器学习实验进展

机器学习因其在模式识别等问题上的优势已经被广泛应用到各个研究领域,然而其运算能力在一定程度上受到经典计算机算力的制约.近年来,随着量子技术的高速发展,量子计算加速的机器学习在诸多量子体系中进行了初步实验验证,并在某些特定问题上展示出了超越经典算法的优势.本文主要介绍两类典型的自旋体系—核磁共振体系和金刚石氮空位色心体系,并回顾近年来量子机器学习在这两类体系上的一些代表性实验工作.