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色心系综磁强计相干布局振荡研究

本文介绍了我们通过利用两路微波共同作用下来进行NV色心的量子调控,实验结果出现"烧孔"现象并降低线宽,与此同时得到直流磁噪声灵敏度。在连续波实验条件下,两路微波都调谐到NV色心系综基态3A2之间的共振频率,一路泵浦微波(Pump)设定为给定的频率(m_s=0?ms=±1),一路探测微波(Probe)设定为扫频。在本次实验中我们关注的是两个微波场在NV基态之间跃迁相同的情况(ms=0?ms=+1)。在这种方法下,观察到的光谱表现出一个复杂的窄线宽结构,当探测微波功率一定时,泵浦微波功率越低,线宽越窄。当泵浦微波功率不变,改变微波频率时,烧孔一直出现在改变的微波频率处,最后我们对信号进行了调制解调,由于NV色心系综磁检测的灵敏度与解调曲线的最大斜率成反比,发现相干布局现象的调制斜率提高了20%,进一步提高了直流散粒噪声灵敏度。     

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.     

基于图像匹配加速算法的金刚石氮–空穴色心轴向识别

场矢量探测是量子精密测量的重要分支,在基础物理、生物医学、材料科学等领域,都有着广泛的应用。金刚石氮-空穴(Nitrogen-Vacancy Center)色心作为量子传感器,在室温下具有较长相干时间,可以实现纳米尺度的磁场探测。为了实现纳米分辨率的磁场重构,需要选取金刚石中三个不同轴向的NV色心作为磁场传感器。实验上能否快速和精确地获得NV色心的轴向信息直接决定着矢量磁场测量的精度和效率。本文利用角向偏振光束代替高斯光束激发NV色心获得其扫描荧光图像,结合卷积神经网络对NV色心的荧光图像进行识别,提出了一种基于图像匹配的NV色心拟合优化算法,在梯度下降算法上结合图像识别处理和匹配算法,优化了NV色心轴向信息的提取过程,提高了拟合的速度和准确率,进而增加了磁场矢量重构的效率。     

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.     

基于金刚石氮-空位色心的温度传感

在各种物理量中,温度是最直观和最普遍的量.温度的剧烈变化通常意味着物体的物理性质出现波动,因此在各个领域中温度往往是重要的指标.随着科学技术的发展,许多领域研究和应用的尺度越来越小,然而在小于10μm的空间尺度内还没有通用的温度测量方法.除了空间分辨率的要求,传感器在测量过程中不应该对被测对象有巨大影响,金刚石氮-空位(nitrogen vacancy, NV)色心是一种稳定的发光缺陷,通过对其能谱和电子自旋量子态的测量,可以获得其附近温度、电磁场等物理量的信息.由于金刚石的化学特性稳定和热导率高,可以进行纳米尺度的非破坏性测量.它对细胞无毒,也可以用于生命领域的研究.此外,根据金刚石的特性, NV色心可以与光纤、扫描显微镜等技术结合,实现不同场景中的温度测量.本文将介绍金刚石NV色心的温度特性、测温原理及其在相关领域的应用.     

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.     

本征GaAs中电子自旋极化的能量演化研究

采用时间分辨圆偏振光抽运-探测光谱,研究9.6 K温度下本征GaAs中电子自旋相干弛豫动力学,发现反映电子自旋相干的吸收量子拍的振幅随光子能量的增加呈非单调性变化.考虑自旋极化依赖的带填充效应和带隙重整化效应,发展了圆偏振光抽运-探测光谱的理论模型.该模型表明量子拍的振幅依赖于所探测能级的电子初始自旋极化度,自旋探测灵敏度以及带填充因子,三者的乘积导致了量子拍振幅的非单调变化,与实验结果一致.给出了能级分裂的二能级系统中电子自旋极化度定义.发现在高能级上可以获得100%的初始电子自旋极化度. 关键词： 圆偏振光抽运-探测光谱 吸收量子拍 电子自旋极化度 GaAs     

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     

本征GaAs中电子自旋极化对电子复合动力学的影响研究

采用时间分辨圆偏振光和线偏振光抽运-探测光谱,研究了9.6 K温度下本征GaAs中自旋极化电子与非极化电子的复合动力学及其随光子能量演化.发现自旋极化对电子复合动力学具有显著影响.仅在导带底附近测量时,两种方法测试到的复合寿命一致,而在高过超能量电子态测量时,两种方法测试到的复合寿命不一致.指出时间分辨法拉第光谱中,用于反演求解电子自旋相干寿命的电子复合寿命应该使用圆偏振光抽运-探测获得的复合寿命,而不是线偏振光抽运-探测获得的寿命.理论计算与实验结果吻合较好. 关键词： 圆偏振光抽运-探测光谱 自旋量子拍 自旋极化 GaAs     

金刚石表面纳米尺度水分子的相变观测

水是自然界中最重要的物质之一,研究界面或受限体系的水分子动力学具有重要的科学意义.近些年新兴的基于氮-空位(NV)色心的纳米磁共振技术可以同时观测纳米尺度的核磁信号和温度.本文利用单个NV色心成功探测到金刚石表面纳米尺度水分子分别在固态和液态条件下的核磁信号,并通过改变温度成功观测到该纳米尺度水层的固-液相变.实验结果表明,基于NV色心的核磁共振技术可以有效地探测纳米尺度物质的结构和动力学行为,为纳米尺度受限体系相关科学的研究提供新的探测手段.     

用于金刚石NV色心实验的辐射结构的设计与实现

在基于NV量子信息实验台上,我们需要对金刚石NV色心施加特定序列的微波射频脉冲信号。为了将特定序列的微波射频脉冲信号作用在样品上,我们利用具有损耗低、无截止频率等特点的槽线设计了一种新型平面电路辐射结构,能够将经过调制的微波射频脉冲信号转化为交变微波场,并作用在金刚石NV色心上,进而实现量子态调控。本设计基于的原理是利用传统槽线作为主传输线,T型槽线作为功分结构,Ω型圆环作为辐射结构,将主传输线中的一部分功率流馈入Ω型圆环内,辐射出较强的微波场。对比传统的光刻微纳工艺方法,本设计利用激光刻蚀及电化学镀铜工艺方法实现了辐射结构的低成本制作。通过网络分析仪等仪器设备测试后,该辐射结构目前已应用到基于NV量子信息实验台中,在高频2.8 GHz和低频7.1 MHz工作频率附近分别取得了约4.48 Gauss和48.49 Gauss大小的交变磁场。     

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.     

23Na39K分子D1П→X1∑^＋激光感生荧光光谱及强度研究

实验获得了Ａｒ＾＋激光５１４．５ｎｍ线诱导２３Ｎａ３９Ｋ分子产生的Ｄ１П→Ｘ１∑＾＋跃迁荧光谱，通过测量激光感生荧光光谱强度随泵浦功率，热管炉温度及缓冲气压变化规律，详细研究了其跃迁机制，用最小二乘法拟合获得２３Ｎａ３９Ｋ分子Ｘ１∑＾＋态振动动常数，理论计算了种跃迁谱支波长值及Ｆｒａｎｃｋ－Ｃｏｎｄｏｎ因子和光谱强度值，与实验观测值符合得相当好，充分表明本文对激光感生荧光光谱的归属以及对各支谱线振     

~（23）Na~（39）K分子D~1∏→X~1∑~＋激光感生荧光光谱及强度研究

实验获得了Ａｒ＋激光５１４．５ｎｍ线诱导２３Ｎａ３９Ｋ分子产生的Ｄ１∏→Ｘ１∑＋跃迁荧光谱．通过测量激光感生荧光光谱强度随泵浦功率、热管炉温度及缓冲气压变化规律，详细研究了其跃迁机制．用最小二乘法拟合获得２３Ｎａ３９Ｋ分于Ｘ１∑＋态振动常数．理论计算了各跃迁谱支波长值及Ｆｒａｎｃｋ－Ｃｏｎｄｏｎ因子和光谱强度值，与实验观测值符合得相当好，充分表明本文对激光感生荧光光谱的归属以及对各支谱线振、转量子数的赋值是合理的．     

光解苯半醌自由基CIDEP的时间演化研究

本文报导光解苯半醌自由基在不同溶液浓度、微波功率与激光能量的实验条件下电子自旋极化的时间演化研究。研究了在实验中出现的极化转相现象和溶液浓度对极化强度与自由基寿命的影响，并对实验结果进行了讨论。     

金刚石NV~-色心系综自旋相干动力学解耦

室温条件下高浓度的NV~-色心系综的相干时间受到较高浓度顺磁杂质和杂质自旋的影响,限制着其高灵敏磁传感的实现。为了增加NV~-色心系综的相干时间,本文对系综的动力学解耦(DD)过程进行研究。在外部磁场为40 G的条件下,通过连续光学磁共振光谱技术(CW-ODMR),首先确定电子自旋态|m_s=0→|m_s=±1共振跃迁对应的微波频率;构建脉冲控制序列,观测不同微波功率条件下系综NV~-色心自旋电子态|m_s=0→|m_s=+1的相干Rabi振荡,获得最优功率的π脉冲作用时间;基于典型的CPMG-n控制序列,研究最优脉冲作用下不同π脉冲个数的DD过程。在最大输入微波功率为1.30 mW的条件下,获得的π脉冲长度为28.8 ns;结合CPMG-32控制脉冲序列,系综的典型相干时间由372(3) ns提升至8.7(1)μs。该研究结果为后续高灵敏量子磁检测的实现奠定了实验基础。     

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.     

Rydberg原子nS1/2→(n+1)S1/2双光子激发EIT-AT光谱

主要研究了热原子蒸气池中铯Rydberg原子nS_1/2→(n+1)S_1/2微波耦合的双光子光谱.铯原子基态(6S_1/2)、第一激发态(6P_3/2)、Rydberg态(69S_1/2)形成阶梯型三能级系统,弱探测光作用于基态到激发态6S_1/2→6P_3/2的跃迁,强耦合光则作用于6P_3/2→69S_1/2的Rydberg跃迁形成电磁感应透明(EIT)效应,实现对Rydberg原子的光学探测.频率fMW=11.735 GHz的微波场耦合69S_1/2→70S_1/2的Rydberg跃迁,形成微波双光子光谱.利用EIT-AT分裂光谱研究微波电场强度对双光子光谱的影响.研究表明:在强微波场作用时,EIT-AT分裂与微波场功率成正比,而弱微波场时的EIT-AT分裂与微波场功率成非线性依赖关系,理论计算与实验测量结果相一致.本文的研究对微波电场的精密测量具有一定的指导意义.     

Rydberg原子nS1/2→(n+1)S1/2双光子激发EIT-AT光谱

主要研究了热原子蒸气池中铯Rydberg原子nS_1/2→(n+1)S_1/2微波耦合的双光子光谱.铯原子基态(6S_1/2)、第一激发态(6P_3/2)、Rydberg态(69S_1/2)形成阶梯型三能级系统,弱探测光作用于基态到激发态6S_1/2→6P_3/2的跃迁,强耦合光则作用于6P_3/2→69S_1/2的Rydberg跃迁形成电磁感应透明(EIT)效应,实现对Rydberg原子的光学探测.频率fMW=11.735 GHz的微波场耦合69S_1/2→70S_1/2的Rydberg跃迁,形成微波双光子光谱.利用EIT-AT分裂光谱研究微波电场强度对双光子光谱的影响.研究表明:在强微波场作用时,EIT-AT分裂与微波场功率成正比,而弱微波场时的EIT-AT分裂与微波场功率成非线性依赖关系,理论计算与实验测量结果相一致.本文的研究对微波电场的精密测量具有一定的指导意义.