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.     

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     

铷原子蒸气中超精细基态的双光子相干操控

二能级量子体系的相干操控对于精密测量和量子信息处理非常重要,如原子钟、原子干涉仪和量子计算等。在实验上观察到相干微波-射频(MW-RF)场驱动下的铷原子超精细基态的双光子Rabi振荡现象。基于塞曼子能级之间热弛豫过程的标定和微波跃迁的测量,清晰地分辨出叠加有热弛豫过程的原子态布居相干振荡。实验测得并详细讨论了广义Rabi频率与中间态失谐和微波/射频功率的关系。当中间态失谐较大时,实验结果与等效二能级理论模型非常吻合;但当中间态失谐较小时,少量原子占据中间态造成实测的Rabi频率偏离理论值。这些结果为二能级量子系统的相干操控提供了有力的理论支持。     

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。     

金刚石固态量子计算中的高分辨率成像

20世纪90年代中期,随着Shor算法和Grover算法的提出,量子计算领域得到广泛关注.金刚石固态NV色心方案作为量子计算机热门物理实现方案之一,因其在室温下的超长相干时间和可精确操控等独特优势而备受青睐;此外,NV色心还有望通过磁共振成像方式实现单核自旋探测.然而NV色心固态量子计算的一种扩展方式受限于相邻NV色心之间的磁偶极相互作用,要求两个NV色心之间相距只有数十纳米.这一尺度远小于普通远场光学的分辨率,即光学衍射极限,采用传统的共聚焦方法已无法分辨.受激发射损耗(STED)和基态损耗(GSD)等超分辨成像技术能够突破光学衍射极限限制,达到纳米量级的分辨率;同时结合最新的金刚石表面微纳刻蚀技术,可实现NV色心固态量子计算中不同色心的分辨和精确定位.该文从固态金刚石NV色心体系和光学衍射等主要方面对利用STED和GSD高分辨成像技术提高传统共聚焦显微镜对NV色心体系成像分辨率进行简要的介绍,并结合实例介绍一些最新的研究进展.     

准一维半导体量子点中电偶极自旋共振的物理机理

半导体量子点中的电子自旋具有较长相干时间以及可扩展性的特点, 在近十几年来引起了人们的广泛兴趣. 人们常常利用电子自旋共振技术来对单个自旋进行操纵. 这样不但需要一个静磁场来使电子产生赛曼劈裂, 同时还需要一个与之垂直的局域振荡磁场. 但是, 在实验上产生足够强且具有固定频率的局域磁场是比较困难的. 后来人们发现, 局域的振荡电场也可以操纵单个电子自旋, 也就是所谓的电偶极自旋共振. 众所周知, 自旋只有自旋磁矩, 不会与电场有任何直接的相互作用. 所以, 电偶极自旋共振的发生必须依赖于某些媒质. 这些媒质包括：量子点材料中的自旋轨道耦合作用, 量子点中的局域磁场梯度, 以及量子点中电子自旋与核自旋的超精细相互作用. 这些媒质能诱导出自旋与电场之间间接的相互作用, 从而外电场操纵单个电子自旋得以实现. 本文总结归纳了目前半导体量子点系统中发生电偶极自旋共振的三种主要物理机理.     

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.     

微型光学偶极阱中单原子相干操控Rabi振荡的实现及其应用

文章综述了Rabi振荡的基本原理以及微型光学偶极阱中单原子相干操控Rabi振荡的研究进展,同时介绍了其在单光子源、量子寄存器、量子计算等方面的应用,并简要介绍了作者所在小组在微型光学偶极阱中单原子操控方面的实验进展.     

半导体量子点中浸润层跃迁与纯失相对Rabi振荡退相干的影响

理论上分析了半导体量子点中浸润层跃迁(包括泄漏和俘获两个过程)对Rabi振荡退相干的影响,含浸润层跃迁的粒子数运动方程可以很好地拟合实验结果.同时还对比分析了纯失相(pure dephasing)对Rabi振荡退相干的影响.分析表明,可以用简单的纯失相强度相关衰减因子来等效地分析复杂的多能级跃迁体系的退相干特性.     

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。     

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.     

两个正交子能级的V型三能级系统的粒子数振荡特性

研究了线偏振脉冲光场激发下,半导体量子点中两个正交子能级上的粒子数振荡特性.利用旋转波近似方法给出了共振激发和无衰减时粒子数运动方程的解析解.引入了该系统的等效跃迁偶极矩和等效脉冲面积，并给出了其关系表达式.理论分析表明，该体系中的子能级上粒子数振荡的振幅和频率都可以通过改变激发场的偏振角和系统的初态条件进行调控. 关键词： Rabi振荡 旋转波近似 三能级系统     

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。     

自旋对磁量子反点能谱和磁电导的影响

利用分区求解单粒子薛定谔方程的方法,研究了电子自旋对磁量子反点中电子能级和磁电导的影响.结果表明,电子自旋与非均匀磁场的相互作用使电子能级发生劈裂,其特征与均匀磁场中电子自旋引起的劈裂显著不同,磁量子反点中能级的劈裂与角动量量子数密切相关.电子共振隧穿到磁边缘态,导致了磁电导随磁场的非周期性振荡.考虑电子自旋与不考虑电子自旋相比,磁电导谱中谷的数目增多且深度减小. 关键词：     

非线性两能级系统中的Landau-Zener-Coulomb跃迁

非线性跃迁动力学的研究是量子操控中的一个重要课题,在原子分子光物理、量子信息以及固体物理等领域都有着重要的应用.本文研究了具有粒子间相互作用两能级系统中的Landau-Zener-Coulomb跃迁动力学.结果表明,对于能级的斜率正负不同的情况,粒子间相互作用对系统跃迁动力学的影响完全不同.为正时,粒子间相互作用总是抑制能级间的非绝热跃迁,且相互作用强度越大,两能级间的非绝热跃迁越难发生.而为负时,弱相互作用会促进能级间的非绝热跃迁,在强相互作用情况下,跃迁概率会出现振荡.随着相互作用强度的增大,振荡幅度逐渐减小,能级间的非绝热跃迁受到抑制.     

极向Kerr效应对电子自旋交换劈裂的依赖性

用量子理论处理了单原子四能级跃迁模型,研究了自旋交换劈裂对磁光Kerr旋转的影响.结果表明,磁光Kerr转角与电子自旋交换劈裂能之间关系一般是非线性的,仅当交换劈裂能很小时才有线性关系存在 关键词： Kerr转角 磁性 交换作用 劈裂     

光晶格中超冷原子系统的磁激发

囚禁在光学晶格中的旋量凝聚体由于其长的相干性和可调控性,使其成为时下热点的多比特量子计算的潜在候选载体,清楚地了解该体系的自旋和磁性的产生和调控就显得尤为重要.本文主要从理论上回顾了光晶格原子自旋链的磁性的由来和操控手段.从激光冷却原子出发,制备旋量玻色-爱因斯坦凝聚体,并装载进光晶格,最后实现原子自旋链,对整个过程的理论研究进行了综述;就如何产生和操控自旋激发进行了详细探讨,其中包括磁孤子的制备;讨论了如何将原子自旋链应用于量子模拟.对光学晶格中的磁激发研究将会对其在冷原子物理、凝聚态物理、量子信息等各方向的应用起指导性作用.