矿物中的色心:以金刚石氮心为例

色心是矿物颜色的主要形成机制之一,含色心的矿物有钾盐、石盐、萤石、石英和金刚石等。本文主要介绍金刚石中的色心,金刚石中有众多的缺陷,特别是其中的氮心。氮心由一个置换碳的氮和一个空位组成,包括电中性的NV0和带负电的NV^(-),NV^(-)心可以用作室温量子比特。本文叙述了NV^(-)心的结晶构造和电子结构,以及通过NV^(-)心的光致发光、电子自旋和核自旋一步步地建立电子和核的量子比特。最后,讨论了氮心在量子信息、传感器和生命科学等领域的应用前景。

高频率分辨的金刚石氮-空位色心宽频谱成像技术

高分辨率宽频谱测量技术在天文学、无线通信、医学成像等领域具有重要应用价值.金刚石氮-空位(nitrogen-vacancy,NV)色心因其高稳定性、高灵敏度、实时监测、单点探测以及适用于长时间测量等特性已成为频谱分析仪备受关注的选择.目前,基于NV色心作为探测器的宽频谱分析仪能够在几十GHz频带内进行实时频谱分析,然而其频率分辨率仅达到MHz水平.本文通过搭建结合连续外差技术的量子金刚石微波频谱成像系统,利用磁场梯度对NV色心谐振频率进行空间编码,成功获取了900 MHz—6.0 GHz范围内完整的频谱数据.在可测频谱范围内,系统进一步采用连续外差的方法,同时施加谐振微波和轻微失谐的辅助微波对NV色心进行有效激发,增强了NV磁强计对微弱微波信号的响应.该方法使系统在可测频谱范围内实现了1 Hz的频率分辨率,并能够对间隔为1 MHz扫频步进的多个频点的频率分辨率进行单独测量.以上研究结果表明基于NV色心的宽频谱测量可实现Hz级频率分辨,为未来的频谱分析和应用提供了有力的技术支持.

V型三能级金刚石氮空位色心电磁诱导透明体系中孤子的存取

本文先构建一束弱探测场和一束强控制场所形成的V型三能级金刚石氮空位(NV)色心电磁诱导透明(EIT)模型,随后研究探测场在体系的线性吸收和非线性传播特性.结果表明,一旦开启强控制场,体系就会呈现出EIT窗口,且透明窗口的宽度随着控制场磁感应强度的增加而变宽.在非线性情况下,探测场能形成稳定传播的孤子,且可通过开启和关闭控制场的磁场实现孤子的存储和读取,可以有效地克服冷原子介质和量子点介质孤子存取的缺陷.值得一提的是,体系所存取孤子的振幅还可以通过控制场的磁感应强度来进行调节.

金属表面裂纹的氮-空位色心漏磁检测

基于氮-空位(NV)色心对磁场的敏感特性,以含浓度1~2 ppm(百万分之一)NV色心的金刚石量子传感器为核心,微波共振扫频激发NV色心的量子自旋为基础,通过优化的共聚焦光路激发NV色心来收集反射回的含磁场信息的光信号,以3块板卡组成控制采集模块对信号进行滤波处理和可视化处理,搭建一套量子精密测量系统。采用该量子精密测量系统完成0.1~1 mm深度下和5~15 mm提离值下的金属表面裂纹检测。试验结果表明,该系统的磁场测量灵敏度达6 nT·√Hz^(-1),可完成最小深度为0.1 mm和最大提离值为15 mm的金属表面裂纹检测,为金属表面裂纹的工业检测提供了一种新方式。

基于金刚石氮-空位色心的新型钢筋检测方法

针对传统混凝土钢筋探测仪检测深度大多在100 mm以下且误差较大的问题,基于量子精密测量中金刚石氮-空位(NV)色心体系搭建了新型钢筋检测实验平台。金刚石NV色心因其优异的自旋性质和光学特性,对磁场有极高的分辨率。使用532 nm波长激光和微波对金刚石进行激光激发及微波调控,金刚石中的NV色心探测被测磁场,通过扫描光探测磁共振谱(ODMR)得到反射的微波功率,从而计算钢筋的尺寸及位置信息。结果表明自制的微波天线在2.87 GHz谐振频率下的回波损耗(S11)为-9.297 dB,在150 mm深度完成混凝土中钢筋位置、个数和直径的检测,钢筋位置平均误差≤4.3 mm,钢筋直径误差≤2.7 mm。

金刚石纳米线氮空位色心的表面与尺寸效应

使用大规模自旋极化密度泛函理论计算研究了表面修饰和尺寸对金刚石纳米线(DNs)中氮空位(NV)色心的几何结构、电子结构、磁性和稳定性的影响.理论上设计了几种不同的DNs,这些DNs具有不同的表面修饰(干净、氢化和氟化),并且直径达数百个原子.实验结果证明,中性(NV^(0))和带1个负电荷(NV^(−))的NV色心的电子结构不受半导体表面修饰和DNs直径大小的影响,但NV色心的稳定性对这两个因素具有不同的响应.此外,研究中还发现,由于DNs中存在圆柱形表面电偶极子层,对DNs中掺杂的NV^(−)色心的稳定性,表面改性诱导了不依赖尺寸的长程效应.特别地,对于n型氟化金刚石表面,掺杂在DN中的NV^(−)色心可以稳定存在,而对于p型氢化表面,NV^(0)则相对更稳定.因此,表面修饰为控制金刚石纳米线中的NV色心的电子结构和稳定性提供了一种精确有效的调控方法.

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.

基于金刚石氮-空位色心的磁测量技术

磁测量是推动人类社会发展不可或缺的技术之一。以高探测灵敏度、高空间分辨率等关键指标作为牵引,近年来,多种量子体系被用于精密磁测量技术发展,金刚石氮-空位色心固态自旋体系就是其中之一。本文简述了氮-空位色心体系的精密磁测量技术及其应用研究,介绍了基于金刚石氮-空位色心自旋体系磁测量的原理和优势、基于该体系的磁测量方法研究工作、以及面向材料成像和生命科学等领域开展的研究工作,指出了未来基于金刚石氮-空位色心体系的精密磁测量技术有望发展新型矢量高灵敏度、高空间分辨率磁测量装备,为更多研究领域譬如地磁测绘、工业无损检测等重大应用提供新的支撑。

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|m_(s)=−1>与|m_(s)=+1>两个Δm_(s)=±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.

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参数的优化,确定了0.8 s的计数时间和0.001 s的准备时间。在不同的激光功率下,分别采用直接拟合法、数学归一化法和脉冲编码归一化法测得三组D值。数据分析结果表明,相较于直接拟合法和数学归一化法,脉冲编码归一化法将激光功率波动引入的噪声有效地抑制到了直接拟合法的62.5%,得到D值的误差从直接拟合法的179 kHz和数学归一化法的165 kHz减小到了56.9 kHz。该方法可为金刚石NV色心测温技术提供一种抑制激发激光功率影响的有效途径,提高D值测量分辨力,为金刚石NV色心测温技术的实用化发展奠定基础。

基于腔场中氮空穴色心的几何量子计算（英文）

利用纯几何操作,提出腔场中的氮空穴色心作为量子比特实现几何量子计算的方案.在暗态子空间中,选取合适的闭合演化回路,可以构造出单比特和双比特控制相位门.因此,该文提出了一种很有前景的实现容错量子计算的方案.

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-空位色心的裂纹无损检测

磁场测量在材料科学、电子工程、电力系统甚至工业领域中扮演着极其重要的作用,尤其是磁场测量为工业无损检测提供了安全又可靠的工具,而磁场测量的灵敏度决定了检测的最高水平。金刚石氮-空位(NV)色心是最近几年发展的一种新型的量子传感器,外界磁场存在会导致金刚石NV色心的基态能级发生塞曼劈裂,通过光学探测磁共振技术(ODMR),利用微波源和锁相放大器探测NV色心的共振频率,最后由共振频率的变化可以精准地计算出出外界磁场的大小和外界磁场变化的灵敏度。实验中将含有高浓度NV色心的金刚石与光纤进行耦合实现磁场扫描式探针的制备,之后对磁化后的铁板焊缝表面裂纹进行扫描,并将扫描的结果绘制成二维磁力分布图,根据磁力分布图的磁场梯度变化可以非常准确地判断出裂纹的位置和大小,为工业安全提供了非常有效的诊断工具。

碳离子注入金刚石制备氮空位色心的机理

金刚石中浅表层氮空位色心在磁探测、量子传感等方面表现出优异的灵敏度和分辨率.相比于其他制备方法,低能碳离子注入具有要求金刚石纯度低、不引入新的杂质原子等优点,但其氮空位色心的形成机理尚不明确.本文采用低能碳离子注入和真空退火工艺在金刚石浅表层创建氮空位色心,并通过拉曼光谱、X射线光电子能谱以及正电子湮没分析,揭示了碳离子注入金刚石制备氮空位色心的机理.结果表明:碳离子注入金刚石在950℃真空退火后呈现出显著的氮空位色心发光.碳离子注入后金刚石浅表层表现出晶格畸变与非晶碳的损伤区,并产生了碳-空位簇缺陷(包裹碳原子的空位簇).在真空退火过程中损伤区通过畸变区的恢复与非晶碳区的固相外延逐步转变为金刚石结构,并伴随着碳-空位簇缺陷的不断解离.在850℃和900℃退火条件下损伤区结构得到部分修复,而在950℃退火时损伤层基本恢复,同时伴随碳空位簇解离的单空位与代位氮原子结合,形成了氮空位色心.

基于金刚石氮空位色心的矢量磁强计

金刚石氮空位(NV)色心作为高灵敏度的磁强计被广泛应用于各种领域。针对矢量磁场探测问题,在理论上建立了NV色心矢量磁场探测的物理模型,并通过仿真得到了磁场与NV色心晶向的定量关系;实验中,自主搭建了共聚焦光路测量系统,通过测量光探测磁共振(ODMR)及Rabi振荡光谱信号,得到了不同磁场角度下的信号,实验结果与理论仿真相符。磁场可检测带宽为0~10 kHz,更高的带宽可通过脉冲调控实现。磁场的角度分辨率为5°,当角度偏转5°,荧光光谱电子自旋共振(ESR)信号以及Rabi振荡信号发生明显变化,且通过噪声谱得到三轴磁场的最小可检测灵敏度为4.3nT√Hz。通过理论和实验验证了不同的矢量磁场会对NV色心产生不同的变化,表明其矢量磁强计的可行性。研究结果为以后NV色心磁强计的发展提供了技术支持。

基于金刚石氮–空位色心的微波磁场成像技术的可靠性研究

相对于单片微波集成电路(MMIC)芯片的设计与制造工艺发展,芯片的测试与失效分析研究进展缓慢。文章首先调研了基于金刚石氮–空位(NV)色心的高空间分辨率微波磁成像应用及通过磁成像技术反演电流分布的技术进展;继而进行了基于NV色心系综微波磁场成像技术的MMIC热态可靠性研究。结果表明:利用基于金刚石NV色心的微波磁场成像技术,对毫米波微波芯片表面的二维矢量场进行高空间分辨率、高灵敏度的快速成像与重构,可以采集芯片在正常和非正常工作状态下的磁场成像信息;进一步对微波芯片内部的信息进行反演重建,可以实现芯片内部故障点的精确定位诊断和潜在故障点排除。所做研究有望为芯片设计、生产、测试提供可靠性诊断。

基于金刚石氮-空位色心的温度测量技术

量子信息科学的高速发展推动了量子传感技术的研究,产生了很多重要成果,在精密测量领域产生了重要的影响。基于固态金刚石NV色心电子自旋探测的传感技术,可溯源至基本量子物理规律,在磁场、电场、温度、压力等传感领域的计量标准方面有重要的研究价值。金刚石NV色心优异的性质,使得严苛环境下可靠、稳定、高精度的传感应用成为可能。以其在温度测量领域上的应用为例,重点介绍最近十年来NV色心自旋探测原理和方法的发展,并结合最新的研究成果,论述固态量子温度计量的重要研究意义。