利用金刚石氮-空位色心精确测量弱磁场的探索

基于金刚石氮-空位色心对精确测量微弱静磁场进行了探索.金刚石氮-空位色心电子自旋的退相干时间高度依赖于外磁场,而不同的退相干特征时间对磁场的灵敏度不同.对金刚石氮-空位色心电子自旋在不同强度外磁场下的退相干过程进行模拟,得到不同退相干特征时间与磁场大小的高准确度关系,提出了基于响应度最高的退相干特征时间测量静态弱磁场大小和方向的方法,并分析了该方法测量静态弱磁场的灵敏度,证明该方法的测量灵敏度比一般磁场测量仪器更高.     

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.     

基于金刚石色心自旋磁共振效应的微位移测量方法

基于压电陶瓷精密微位移系统的扫描探测技术是目前精密测量仪器进行微纳区域/结构性能测试的核心系统,但压电陶瓷材料存在迟滞、非线性问题,限制了对微位移分辨能力的提升.本文以金刚石氮空位色心为敏感单元,利用电子自旋效应对磁场强度的高分辨敏感机理,结合永磁体周围不同位置对应的磁场强度变化关系,提出了一种基于金刚石氮空位色心电子自旋敏感机理的微位移检测方法.通过建立电子自旋效应与微位移的关联模型,搭建了相应的微位移测量系统.经实验验证,该系统对微位移测试的灵敏度为16.67 V/mm,检测分辨率达到60 nm,实现了对微位移的高分辨率测量.并通过理论分析,该系统的微位移测量分辨率可进一步提升至亚纳米级水平,为新型微位移测量技术提供了发展方向和研究思路.     

磁纳米粒子介导的靶向剪切波弹性成像

组织力学特性与其生理病理变化过程密切相关.因此,对组织力学特性的分析有望为疾病诊断提供重要依据.超声弹性成像可以定量分析组织的剪切模量,但在检测的特异性和灵敏度等方面仍存在局限性.针对这一问题,该文发展一种磁纳米粒子介导的靶向剪切波弹性成像新方法.该方法是基于磁纳米粒子在脉冲磁场作用下产生磁致振动,从而导致周围组织的剪...     

基于深紫外激光-光发射电子显微技术的高分辨率磁畴成像

基于磁二色效应的光发射电子显微镜磁成像技术是研究薄膜磁畴结构的一种重要研究手段,具有空间分辨率高、可实时成像以及对表面信息敏感等优点.以全固态深紫外激光(波长为177.3 nm;能量为7.0 eV)为激发光源的光发射电子显微技术相比于传统的光发射电子显微镜磁成像技术(以同步辐射光源或汞灯为激发源),摆脱了大型同步辐射光源的限制;同时又解决了当前阈激发研究中由于激发光源能量低难以实现光电子直接激发的技术难题,在实验室条件下实现了高分辨磁成像.本文首先对最新搭建的深紫外激光-光发射电子显微镜系统做了简单介绍.然后结合超高真空分子束外延薄膜沉积技术,成功实现了L10-FePt垂直磁各向异性薄膜的磁畴观测,其空间分辨率高达43.2 nm,与利用X射线作为激发源的光发射电子显微镜磁成像技术处于同一量级,为后续开展高分辨磁成像提供了便利.最后,重点介绍了在该磁成像技术方面取得的一些最新研究成果:通过引入Cr的纳米"台阶",成功设计出FePt的(001)与(111)双取向外延薄膜;并在"台阶"区域使用线偏振态深紫外激光观测到了磁线二色衬度,其强度为圆二色衬度的4.6倍.上述研究结果表明:深紫外激光-光发射电子显微镜磁成像技术在磁性薄膜/多层膜体系磁畴观测方面具备了出色的分辨能力,通过超高真空系统与分子束外延薄膜制备系统相连接,可以实现高质量单晶外延薄膜制备、超高真空原位传输和高分辨磁畴成像三位一体的功能,为未来磁性薄膜材料的研究提供了重要手段.     

铁磁共振磁交换力显微镜

原子间的自旋相互作用力对原子级别磁性纳米构造体的表面磁性质的理解是极为重要的. 磁交换力显微镜是测量表面自旋作用力的重要手段, 但它的缺点一是需要加外部强磁场, 二是不能分离表面形貌和自旋信息, 这就导致材料表面受外部磁场的影响, 而且表面形貌和自旋信息之间相互影响, 使自旋间的相互作用力的检测和成像研究受到限制.为了解决上述问题, 利用原子力显微镜, 并采用微波照射的方法, 根据铁磁共振原理, 分别独立提取磁性材料表面形貌和自旋信息, 称之为铁磁共振磁交换力显微镜, 理论和实验结果表明此方法可以有效地分离两种信息. 铁磁共振磁交换力显微镜可以促进对原子级磁性材料机能的理解以及磁性相关科学领域的进步, 特别是对自旋电子元件的发展有很大的促进作用, 是新世纪高度信息化社会不可缺少的测量技术. 关键词： 原子力显微镜 磁交换力显微镜 自旋 铁磁共振     

基于金刚石量子传感的纳米磁成像及凝聚态物理应用

作为凝聚态物理的重要方向,磁性的研究不仅是发展自旋电子学器件的基础,也是突破已有材料和器件功能壁垒的关键之一。磁性材料的纳米分辨率成像对认识和理解物质微观性质至关重要。金刚石中的氮—空位(NV)色心是一种对磁信号敏感的原子缺陷,经过十余年的深入研究,其已经发展为兼具高灵敏度和高空间分辨率的磁量子传感器,能够以纳米分辨率对单层磁性材料进行成像。它作为一种广谱(DC-GHz)、高灵敏度(nT/Hz~(1/2))、高空间分辨率(～10 nm,理论极限～1 nm)的磁成像技术,可以对包括二维磁性材料、电流分布、电导率分布乃至单个电子自旋,少数个核自旋进行纳米磁成像。文章从NV色心微观结构和性质出发,介绍其作为量子传感进行磁信号探测和成像的原理;进一步从技术层面介绍谱仪的构成和探针制备;最后选取有代表性的工作,简要介绍NV扫描显微镜在各方面的应用。     

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.     

消磁场对纳米铁磁线磁畴壁动力学行为的影响

为了实现基于磁畴壁运动的自旋电子学装置, 掌握磁畴壁动力学行为是重要争论之一.研究了在外磁场驱动下L-型纳米铁磁线磁畴壁的动力学行为. 通过微磁学模拟,在各种外磁场的驱动下考察了纳米铁磁线磁畴壁的动力学特性; 在较强外磁场的驱动下, 在不同厚度纳米线上考察了纳米线表面消磁场对磁畴壁动力学行为的影响. 为了进一步证实消磁场对磁畴壁动力学的影响, 在垂直于纳米线表面的外磁场辅助下分析了磁畴壁的动力学行为变化. 结果表明, 随着纳米线厚度和外驱动磁场强度的增加, 增强了纳米线表面的消磁场的形成, 使得磁畴壁内部自旋结构发生周期性变化, 导致磁畴壁在纳米线上传播时出现Walker崩溃现象. 在垂直于纳米线表面的外磁场辅助下, 发现辅助磁场可以调节消磁场的强度和方向. 这意味着利用辅助磁场可以有效地控制纳米铁磁线磁畴壁的动力学行为.     

基于Mueller矩阵成像椭偏仪的纳米结构几何参数大面积测量

为了实现有效的工艺监控, 在批量化纳米制造中对纳米结构的关键尺寸等几何参数进行快速、低成本、非破坏性的精确测量具有十分重要的意义. 光学散射仪目前已经发展成为批量化纳米制造中纳米结构几何参数在线测量的一种重要手段. 传统光学散射测量技术只能获得光斑照射区内待测参数的平均值, 而对小于光斑照射区内样品的微小变化难以准确分析. 此外, 由于其只能进行单点测试, 必须要移动样品台进行扫描才能获得大面积区域内待测参数的分布信息, 从而严重影响测试效率. 为此, 本文将传统光学散射测量技术与显微成像技术相结合, 提出利用Mueller矩阵成像椭偏仪实现纳米结构几何参数的大面积快速准确测量. Mueller矩阵成像椭偏仪具有传统Mueller矩阵椭偏仪测量信息全、光谱灵敏度高的优势, 同时又有显微成像技术高空间分辨率的优点, 有望为批量化纳米制造中纳米结构几何参数提供一种大面积、快速、低成本、非破坏性的精确测量新途径.     

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.     

Quantum information processing and metrology with color centers in diamonds

The Nitrogen Vacancy （NV） center is becoming a promising qubit for quantum information processing. The defect has a long coherence time at room temperature and it allows spin state initialized and read out by laser and manipulated by microwave pulses. It has been utilized as a ultra sensi- tive probe for magnetic fields and remote spins as well. Here, we review the recent progresses in experimental demonstrations based on NV centers. We first introduce our work on implementation of the Deutsch- Jozsa algorithm with a single electronic spin in diamond. Then the quantum nature of the bath around the center spin is revealed and continuous wave dynamical decoupling has been demonstrated. By applying dynamical decoupling, a multi-pass quantum metrology protocol is realized to enhance phase estimation. In the final, we demonstrated NV center can be regarded as a ultra-sensitive sensor spin to implement nuclear magnetic resonance （NMR） imaging at nanoscale.     

Proposed spin amplification for magnetic sensors employing crystal defects

Recently there have been several theoretical and experimental studies of the prospects for magnetic field sensors based on crystal defects, especially nitrogen vacancy (NV) centers in diamond. Such systems could potentially be incorporated into an atomic force microscopy-like apparatus in order to map the magnetic properties of a surface at the single spin level. In this Letter we propose an augmented sensor consisting of an NV center for readout and an "amplifier" spin system that directly senses the local magnetic field. Our calculations show that this hybrid structure has the potential to detect magnetic moments with a sensitivity and spatial resolution far beyond that of a simple NV center, and indeed this may be the physical limit for sensors of this class.     

Second-order magnetic field gradient-induced strong coupling between nitrogen-vacancy centers and a mechanical oscillator

We consider a cantilever mechanical oscillator (MO) made of diamond. A nitrogen-vacancy (NV) center lies at the end of the cantilever. Two magnetic tips near the NV center induce a strong second-order magnetic field gradient. Under coherent driving of the MO, we find that the coupling between the MO and the NV center is greatly enhanced. We studied how to generate entanglement between the MO and the NV center and realize quantum state transfer between them. We also propose a scheme to generate two-mode squeezing between different MO modes by coupling them to the same NV center. The decoherence and dissipation effects for both the MO and the NV center are numerically calculated using the present parameter values of the experimental configuration. We have achieved high fidelity for entanglement generation, quantum state transfer, and large two-mode squeezing.     

Sub-optical resolution of single spins using magnetic resonance imaging at room temperature in diamond

There has been much recent interest in extending the technique of magnetic resonance imaging (MRI) down to the level of single spins with sub-optical wavelength resolution. However, the signal to noise ratio for images of individual spins is usually low and this necessitates long acquisition times and low temperatures to achieve high resolution. An exception to this is the nitrogen-vacancy (NV) color center in diamond whose spin state can be detected optically at room temperature. Here we apply MRI to magnetically equivalent NV spins and demonstrate fully resolved spectra with resolution well below the optical wavelength of the readout light. In addition, using a microwave version of MRI we achieved a resolution that is 1/270 in size of the coplanar striplines, which define the effective wavelength of the microwaves that were used to excite the transition. This technique can eventually be extended to imaging of large numbers of NVs in a confocal spot and possibly to image nearby dark spins via their mutual magnetic interaction with the NV spin.     

Online optimization for optical readout of a single electron spin in diamond

The nitrogen-vacancy (NV) center in diamond has been developed as a promising platform for quantum sensing, especially for magnetic field measurements in the nano-tesla range with a nano-meter resolution. Optical spin readout performance has a direct effect on the signal-to-noise ratio (SNR) of experiments. In this work, we introduce an online optimization method to customize the laser waveform for readout. Both simulations and experiments reveal that our new scheme optimizes the optically detected magnetic resonance in NV center. The SNR of optical spin readout has been witnessed a 44.1% increase in experiments. In addition, we applied the scheme to the Rabi oscillation experiment, which shows an improvement of 46.0% in contrast and a reduction of 12.1% in mean deviation compared to traditional constant laser power SNR optimization. This scheme is promising to improve sensitivities for a wide range of NV-based applications in the future.