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.

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。

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.

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。

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.

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.

基于金刚石氮-空位色心的光纤量子传感

金刚石中的氮-空位(NV)色心在室温下具有稳定的荧光发射,超长的电子自旋相干时间以及许多优良的光学性质,可以对电磁场,温度进行高灵敏度表征。光纤传感技术近几年来发展迅速,在电力、化工、交通、医疗、环保及军事等领域得到广泛应用。光纤体系由于其集成度、实用性高以及操作便捷性,且具有优良的传输光能力,损耗较低,可与NV色心结合,形成一种高集成化、高灵敏度的便捷性传感系统,未来将会作为传感器件投入到许多领域的应用中,例如对生物细胞、材料温度、磁场等物理量的高灵敏度测量。本综述主要介绍NV色心体系的光纤量子传感技术的工作原理、实现方式以及在相关领域的应用。

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。

利用线偏光探测两邻近氮-空位色心轴向的方法

金刚石中的氮-空位(NV)色心受到越来越多研究学者的青睐,这种色心在量子信息应用领域具有非常好的自旋和光学性能。为了更好地研究这些性能,精确探测金刚石中NV色心轴向信息非常必要。介绍了一种利用多束偏振光准确测量两个相邻NV色心组合包含的轴向信息的新方法,该方法可以探测出在四种可能轴向中,两个高度重合色心的轴向分布信息。

基于金刚石氮-空位色心的磁力计概述

磁测量技术在诸如地磁测绘与导航、无损检测等领域中都有着重要作用。近些年,量子精密测量技术由于其高灵敏度的优点,已逐渐成为磁测量领域的主流研究方向。与经典的测量方法相比,量子精密测量利用量子系统对环境的敏感性实现对物理量的精确测量,在灵敏度等指标上具有突出优势。金刚石氮-空位色心是金刚石中的一种点缺陷,其对磁场敏感并且能够在室温大气环境下通过光学方法进行初始化和读出。因此,该体系目前已被广泛地应用于磁测量领域。自2008年被提出以来,基于金刚石氮-空位色心体系的磁力计在灵敏度指标和应用潜力等方面的研究都取得了众多进展。目前,金刚石磁力计对低频和高频磁场都能够实现亚皮特斯拉(sub-pT)量级的磁测量灵敏度。同时,金刚石晶格结构的稳定性使得氮-空位色心系综在矢量磁场测量技术方面具有高正交度等方面的优势,这也将推动地磁导航等领域的进步。在应用研究方面,该体系已在生物磁信号测量、涡流磁成像、古地磁学中的矿石检测等诸多领域崭露头角。未来,金刚石磁力计将逐渐在优化灵敏度指标的同时兼顾集成化研究,为磁测量应用提供新方法与新工具。

基于无微波金刚石NV色心测磁技术的电流测量应用

为了在特高压(UHV)环境下使用氮-空位(NV)色心量子测量技术,研究了金刚石主轴与磁场夹角对相应曲线及电流测量精度的影响。构建金刚石氮-空位七能级超精细结构模型,根据仿真结果得到不同磁场方向下最高灵敏度范围和最佳测量范围,从而确定探头的最佳放置角度。基于无微波金刚石氮-空位技术搭建了直流大电流测量实验平台,测试了100~5000A范围内荧光电压对电流的响应曲线。实验结果表明,该平台对5000A直流电流测量误差在0.25%以内。作为无源器件,无微波金刚石氮-空位色心测磁传感器全光纤信号传输具备良好耐压性能,同时可在室温下工作,并具有结构紧凑、灵敏度高、抗电磁干扰能力强等优势,适用于特高压环境下的直流电流测量,为传统电力行业检测提供了新的检测方法。

近红外光调制下金刚石NV色心自旋动力学与电荷态转化研究

对金刚石氮-空位(nitrogen-vacancy,NV)色心电子自旋态进行光学操控的过程中,近红外光是一种重要手段,对色心自旋态和电荷态布居能产生显著影响,定量研究近红外光对NV色心自旋动力学的作用具有重要意义。文章用实验测量室温下532 nm激光连续激发单个NV色心产生的荧光时间曲线,并建立七能级模型进行数值模拟,得到各自旋能级间跃迁速率;在此基础上用1040 nm激光对色心荧光时间曲线进行调制,实验数据与数值模拟结果相吻合。研究结果表明,近红外光对金刚石NV色心自旋态的影响主要体现在对电荷态转化速率的提高上,使用功率为40 mW的1040 nm激光和532 nm激光一起照射,可以将电离速率和复合速率分别提升约15倍和30倍。

采用磁屏蔽环结构的金刚石NV色心全光直流互感器系统

针对目前电力系统对电流互感器的精度与灵敏度提出的更高要求,提出了一种基于金刚石氮-空位(NV)色心的全光直流互感器的系统方案,系统包括光源模块、激光反馈模块、激光分束模块、一次传感探头模块、激光分频模块、光电转换模块以及信号采集和数据处理模块。对系统中的磁屏蔽环进行了结构的设计与仿真,并对仿真结果进行了实验验证。最后搭建了单通道实验验证系统,系统实测结果表明,设计的全光直流互感器在5 000 A大电流下无磁屏蔽时可以达到0.35%的测量精度,加入磁屏蔽环后测量精度提升到了0.06%,从而为基于金刚石NV色心的全光直流互感器的研制提供了参考。

基于金刚石氮-空位缺陷的量子传感技术

金刚石中的氮-空位色心(nitrogen-vacancy center,NV center)为室温乃至极端环境(如低温高压)条件下的量子传感技术提供了极具潜力的发展平台。金刚石中的NV色心具有超长的相干时间,在室温下有稳定的光学特性并兼有易读出的特点,因此可以利用光探测磁共振(optical detection magnetic resonance,ODMR)技术进行高精度的探测及量子操控。近二十年来,基于金刚石的量子传感技术的基础研究蓬勃发展,金刚石中的NV色心在如量子精密测量和量子信息处理等科学领域中的应用越来越深入,目前已经实现了在生物化学、凝聚态、温度传感、磁场传感及压力传感等领域的精密测量。本文对基于NV色心的量子传感技术在上述领域中的发展进行了综述。

金刚石NV色心在钢丝绳缺陷检测中的应用

氮-空位(NV)色心是金刚石中的一种晶格缺陷,由于其具有优异的自旋性质和光学性质,在量子精密测量领域受到广泛关注。利用金刚石的高灵敏度和高分辨率磁测量特性,实现灵敏且准确的钢丝绳缺陷检测。在磁场测量方面,该技术使用光学探测磁共振法测出NV色心的共振频率,从而计算出外界的磁场强度。在钢丝绳检测方面,以浓度为1.8×10^(17)~3.6×10^(17)的NV色心磁传感器为核心组成探头模块,三块高度集成的现场可编程门阵列(FPGA)板卡组成控制模块,搭建量子精密测量平台,检测钢丝绳断丝缺陷和微弱磨损缺陷。实验结果表明,该系统的磁场测量灵敏度可达6 nT/Hz,空间分辨率为200μm,可以对钢丝绳缺陷进行准确检测,为工业安全提供了新的检测方式。

金刚石NV色心间基于电偶极耦合的快速受控非门

提出了一种在金刚石中两个临近氮-空位色心(nitrogen-vacancy color center,简称NV色心)之间施加受控非门(C-NOT gate)的新方案.在该方案中,临近NV色心间的强电偶极耦合将导致态依赖的能级移动,从而施加可控的激光共振激发可以实现快速受控相位门(C-phase gate),结合单比特操作,可以快速实现C-NOT门.在两个相邻10 nm的NV色心之间,C-NOT门操作时间最快可达120 ns,比传统磁偶极方式快了2个量级.为了降低激发态自发辐射的影响,提出利用非共振腔抑制自发辐射.模拟结果显示C-phase门操控保真度可以达到98.88%.最后,将该方案扩展到一维NV色心自旋链.