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.     

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.     

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     

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.     

光纤耦合双光学腔系统的相干动力学

为了研究量子相干性在腔量子电动力学系统中的动力学和分布特性,基于两个各自捕获原子系综的光学腔建立了双光学腔系统,腔与腔之间由光纤耦合.利用相对熵度量的量子相干性,引入量子相干非平衡性的概念,分析了系统中相干动力学和光纤-腔耦合强度对相干性分布的影响.结果表明:在强耦合极限下,光纤-腔耦合强度的增加有利于保持两腔中的原子的整体相干性;光纤-腔耦合强度、原子-腔耦合强度以及原子数三个参数之间满足特定条件时,腔内的原子相干性可以传输至另一个腔.考虑腔、光纤及原子都存在耗散的情形,对比了不同耗散速率和非耗散情形下的相干性演化,发现耗散使得耦合双腔系统的相干性以及各个腔中的原子相干性发生衰减.     

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.     

冷原子系综中光纤腔增强且高保真度的光学存储

利用原子系综中的Duan-Lukin-Cirac-Zoller (DLCZ)过程可产生光与原子记忆(自旋波)量子纠缠,该纠缠可作为量子中继的重要元件.随着量子信息研究的深入发展,人们对量子信息存储其灵活多样性、可控性等方面提出更高的要求.本文在冷原子系综中演示了一种基于DLCZ过程的光纤腔增强且高保真度的光学存储方案,即将87Rb原子系综放于设计的光纤腔中,通过光纤腔增强“写出”和“读出”光子与原子系综的耦合实现自旋波量子信息的有效恢复,同时具有较高的保真度.观察到有腔且锁定的情况下斯托克斯光子产生概率比无腔时增加4.6倍,原子自旋波读出效率增加1.6倍,实验实现22%的读出效率并具有92%的量子态保真度,该读出效率对应一个40%的本质读出效率.这种高度可恢复、高量子态保真度的原子-光子纠缠源,可为未来长距离量子通信及广域大规模量子网络构建的实现提供另一种有效的途径.     

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。     

类W态原子与三耦合腔系统作用中的量子失协

研究了三个全同二能级原子与三耦合腔相互作用物理模型中两原子间的量子失协.腔与腔之间通过光纤耦合,考虑原子与腔模之间的共振作用,采用几何量子失协来度量两原子间的量子关联,数值计算了系统中两原子间的几何量子失协,给出了其演化曲线.讨论了光纤模与腔模间的耦合强度变化对几何量子失协的影响.结果表明:随光纤模与腔模间的耦合强度增大,两原子间的几何量子失协增大,即两原子间量子关联增强.     

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.     

温度对抛物量子点中强耦合磁极化子性质的影响

采用线性组合算符法和LLP变换法,研究了温度对抛物量子点中强耦合磁极化子性质的影响.首次得到了抛物量子点中强耦合磁极化子的基态能量和振动频率随温度的变化规律.结果表明,量子点中强耦合磁极化子的振动频率随温度的升高而减小,随量子点的受限强度、回旋频率和耦合强度的增加而增大.而基态能量随回旋频率、耦合强度和温度变化的规律与磁极化子的状态性质密切相关.磁极化子基态能量和振动频率随量子点的受限强度、回旋频率和耦舍强度的变化情况受温度的显著影响,不过,温度对磁极化子基态能量和振动频率的影响只有在较高温度(O<γ<0.5)时才显现.     

多晶金刚石薄膜硅空位色心形成机理及调控

金刚石硅空位色心在量子信息技术和生物标记领域有重要应用前景.本文对硅衬底上多晶金刚石生长过程中硅空位色心形成机理及调控方法进行研究.通过改变金刚石生长氛围中的氮气和氧气比例,实现了对硅空位色心发光强度的有效调控,所制备系列多晶金刚石样品的光致发光光谱显示,硅空位色心荧光峰与金刚石本征峰的比值最低为1.48,最高可达334.46,该比值与金刚石晶粒尺寸正相关.进一步用光致发光面扫描和拉曼面扫描分析样品可知,多晶金刚石中的硅应来自于硅衬底,在多晶金刚石生长过程中,衬底硅单质先扩散至金刚石晶粒处,随着金刚石晶粒生长,硅单质再扩散并入金刚石晶体结构中形成硅空位色心.不同样品硅空位发光强度的差异,是由于生长过程中氮气和氧气对金刚石硅空位色心的形成分别起到促进和抑制的作用.     

磁性纳米电机单电子晶体管的自旋输运特性

文章作者在研究磁性隧道结的自旋输运中引入量子点的机械振动自由度,将单电子隧穿和振动自由度耦合所导致的shuttle输运理论应用到自旋电子学中,研究结果表明,shuttle输运对自旋极化输运有很大的影响,其独特的输运性质可以用来设计自旋电子器件,文章在理论上提出具有巨磁效应的自旋阀、高性能的半导体自旋注入器以及电流的整流器.     

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.     

自旋和温度对量子线中强耦合束缚磁极化子性质的影响

本文采用线性组合算符和幺正变换相结合方法研究自旋和温度对量子线中强耦合束缚磁极化子性质的影响.计算了在自旋和温度影响下量子线中强耦合束缚磁极化子的振动频率、基态能量和平均声子数.计算表明,在自旋和温度影响下振动频率随温度和库仑束缚势的增大而加快;基态能量随温度和回旋频率的的增加而变大,并在自旋作用下基态能量曲线分裂为自旋向上,向下两条;平均声子数也随温度的升高而增多.     

金刚石氮空位色心耦合机械振子和腔场系统中方差压缩研究

研究了金刚石氮空位中心(NV色心)同时耦合腔场和机械振子系统中声子场的方差压缩动力学特性,分析了金刚石NV色心初态和NV色心与机械振子耦合强度对声子场方差压缩影响.结果发现:可以制备压缩时间长、压缩幅度大的声子场压缩态,其物理原因是机械振子具有最大相干性,并且通过调控NV色心初态以及磁场梯度可以实现对机械振子方差压缩非经典特性的操控,从而在理论上提供了一种调控声子场方差压缩的方式.     

弱相干场原子-腔-光纤系统中的量子失协

采用几何量子失协度量两个子系统间的关联,利用数值计算方法研究了原子-腔-光纤复合系统中两个原子之间和两个腔场之间的几何量子失协.讨论了腔场与光纤模间的耦合系数和弱相干场强度变化对几何量子失协的影响.研究结果表明:两原子之间和两腔场之间的几何量子失协均随时间作周期性演化,其演化频率随腔场与光纤模间的耦合系数增大而增大.另一方面,随弱相干场强度增大,两原子间和两腔场间的几何量子失协增大.这表明随弱相干场强度增大两原子间或两腔场间的关联增强.     

串型耦合双量子点处于自旋阻塞区时磁输运性质的研究

使用双杂质安德森模型的哈密顿量,从理论上研究了串型耦合双量子点系统处于自旋阻塞区时的磁输运性质,并用主方程近似方法求解了哈密顿量.结果表明,自旋轨道耦合作用导致的双量子点间的自旋反转隧穿能够解除系统的自旋阻塞.同时也研究了超精细相互作用导致的在量子点内自旋反转和双量子点之间的自旋关联对系统的磁输运性质的影响,取得了一些有价值的结果,并对相关的物理问题进行了讨论.     

基于应变锗空穴双量子点的可调耦合和自旋阻塞研究

应变锗空穴量子点是实现超大规模量子计算最有前景的平台之一.由于锗空穴不受超精细相互作影响，有着较长的自旋弛豫时间和量子退相干时间，且锗中本征的强旋轨道耦合和空穴载流子的低有效质量，使得全电场操控空穴自旋量子比特得以实现，极大地降低了器件加工难度，增加了量子点的可扩展性.本文介绍了一种使用应变锗异质结制备重叠栅空穴双量子点器件的方法，完成了应变锗异质结性质测量，空穴双量子点器件制作，单量子点输运性质和双量子点输运性质研究，双量子点耦合可研究调节性研究，以及外磁场存在下的漏电流性质研究和泡利自旋阻塞解除机制的研究.这些工作为未来实现高质量自旋量子比特制备和高保真度量子逻辑门操控提供了实验平台和基本参数.