金刚石氮-空位色心连续式温度测量灵敏度分析

金刚石氮-空位(nitrogen-vacancy,NV-)色心系综在温度测量原理上具有超高灵敏、微纳米级空间分辨率的特点,该方法利用色心最外层2个未成对电子自旋相互作用产生的零场分裂能实现温度测量,通常采用灵敏度分析方法来衡量其温度敏感信号的信噪比。为有效提高灵敏度,推导了无外加磁场时连续式温度测量灵敏度的理论模型,分析了影响信噪比的主要因素;优化了微波天线直径、激光和微波功率对光探测磁共振(optically detected magnetic resonance,ODMR)谱线线宽和荧光对比度的影响。在303~318 K范围内标定了零场分裂能D与温度T的关系,得到系统所用高浓度色心样品的d D/d T为-73.42 kHz/K,标定结果的相对标准偏差为5.3%。最终对不同温度的灵敏度进行测量,低频段平均灵敏度达到0.50 K/Hz 1/2(<10 Hz)的水平。

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。