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/cm²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.     

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.     

金刚石氮空位色心体系的量子纠缠态制备

利用金刚石氮空位色心体系耦合于一个双边的光子晶体腔(该光子晶体腔与两个波导耦合)来制备Bell态、GHZ态和团簇态。当光子被探测和进行幺正操作后,就得到纠缠态。同时计算了该体系的保真度,发现在近似参数条件下,该模型可得到较好结果。     

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.     

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。     

金刚石集群NV色心的光谱特征及浓度定量分析

金刚石NV-色心具有优越的光致发光特性,可实现高灵敏度物理量探测。其中,NV-色心的浓度是影响其宏观领域物理量探测灵敏度的重要因素之一。分析了金刚石在NV-色心制备过程中产生的发光缺陷,研究了不同的电子注入剂量与NV-色心浓度的关系。首先,对金刚石进行电子辐照并高温真空退火,制备了NV-色心;然后,利用拉曼光谱仪测试了金刚石在电子辐照前、电子辐照后及退火后三个阶段中的荧光光谱,分析了金刚石在NV-色心制备过程中的光谱特性;最后,对生成的NV-色心的浓度进行了估算,并探究了不同电子注入剂量对NV-色心浓度的影响规律。结果表明,金刚石经电子注入后生成了524.7,541.1,578和648.1 nm发光中心。其中,HPHT合成金刚石经电子注入后普遍存在524.7 nm中心。电子注入后的金刚石经高温(≥800 ℃)真空(≥10-7 Pa)退火后,空位自由移动,不稳定的缺陷消失,当空位靠近氮原子时被束缚而形成氮空位色心。对于氮含量100 ppm的金刚石,当电子注入产生的空位含量小于120 ppm(2.1×1019 cm-3)时,NV-色心浓度与电子注入生成空位的含量的关系符合Boltzmann分布。该研究为利用氮含量100 ppm的金刚石实现定量NV-色心浓度的制备提供了参考依据,为NV-色心在宏观物理量精密测量的应用奠定了基础。     

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.     

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.     

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.     

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.     

金刚石氮—空位色心温度测量激发激光误差抑制

基于金刚石氮-空位(NV)色心的温度传感技术，通过测量其基态子级之间的零场劈裂值(D)来实现对温度的感测。由于金刚石稳定性高，抗干扰能力强，可制成不同尺寸，NV色心测温方法被视为解决微纳米尺度温度高精度测量难题的一种重要技术途径，具有良好的应用前景。实验测量中，首先使用激光对色心进行电子自旋极化，然后使用微波对电子自旋进行调控，进而探测电子跃迁发出的荧光得到光学探测磁共振(ODMR)光谱，对谱线进行拟合分析获得D值。激光功率波动是重要的实验噪声来源之一，为了获得较高的极化率，需要足够的激光功率，然而较大激光功率下，光功率波动会影响电子自旋极化率，从而降低电子跃迁所发出荧光强度的稳定性，增加光谱的噪声，最终增大数据测量的误差。在常规测量中，不使用任何归一化参考的直接拟合法会将激光功率的波动直接反映在ODMR光谱上。为降低激光功率波动产生的误差，提出了一种特定编码的脉冲序列测量方法，可以在实验过程中获得不受微波调控的光子数参考值，对所探测的受到微波调控的光子数相对于参考值做归一化，从而输出归一化光谱。在实验室搭建的ODMR测量系统上开展了控温300 K的对比实验，考虑对脉冲编码序列两个时间...     

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.     

实现类自旋SU(1,1)腔场的GHZ态

提出了一种利用[1]－型原子与处于SU（1，1）相干态的腔场的相互作用实现类自旋腔场Greenberger-Horne-Zeilinger(GHZ)态的新方案，并通过对腔场宇称的测量，否定了局域隐变量理论，该方案不需要违背Bell不等式，同时，指出了该方案的适用范围。     

立方半导体中双空位态的电子结构(Ⅲ) 硅中双空位态的波函数

利用文献[1]中的基本方程和Vogl等人的紧束缚哈密顿量,计算了硅中理想双空位的E_g和E_u态的波函数,讨论了计算结果和ESR与ENDOR谱的比较。     

立方半导体中双空位态的电子结构(Ⅲ)——硅中双空位态的波函数

利用文献[1]中的基本方程和Vogl等人的紧束缚哈密顿量,计算了硅中理想双空位的E_g和E_u态的波函数,讨论了计算结果和ESR与ENDOR谱的比较。 关键词：