Azot-boşluk merkezi - Nitrogen-vacancy center

NV - merkezinin basitleştirilmiş atomik yapısı

Nitrojen boş merkezi ( NV merkezi veya NV merkezi ) çok sayıda biri nokta kusurları olarak elmas . En çok araştırılan ve kullanışlı özelliği, gözlemcilerin spin durumunu okumasına izin veren fotolüminesans özelliğidir . NV merkezinin atomik ölçeklerde lokalize olan elektron dönüşü, oda sıcaklığında manyetik veya elektrik alanları , mikrodalga radyasyonu veya ışık gibi dış faktörler tarafından manipüle edilebilir ve bu da fotolüminesansın yoğunluğunda keskin rezonanslara neden olur. Bu rezonanslar, kuantum dolaşıklığı , dönüş-yörünge etkileşimi ve Rabi salınımları gibi elektron dönüşü ile ilgili fenomenler açısından açıklanabilir ve gelişmiş kuantum optik teorisi kullanılarak analiz edilebilir . Bireysel bir NV merkezi, bir kuantum bilgisayar için temel bir birim olarak , bir kubit , kuantum kriptografisi için kullanılan fe olarak kullanılabilir . Elektronik ve algılamanın yeni alanlarındaki diğer potansiyel uygulamalar arasında spintronik , maserler ve kuantum sensörleri bulunur . Yük belirtilmemişse, "NV merkezi" terimi, negatif yüklü NV merkezini ifade eder .

yapı

Alttaki görüntüler, düzlemsel bir Schottky diyotuna +20 V voltajın uygulanmasından önceki ve sonraki uzamsal fotolüminesans (PL) haritalarıdır . En üstteki resim deneyi özetlemektedir. PL haritaları, bireysel NV 0 merkezlerinin parlak noktalar olarak görünen NV merkezlerine dönüşümünü ortaya koymaktadır .

Azot boş merkezi olan noktası kusur içinde elmas kafes . Bir karbon atomunun yerini alan bir nitrojen atomunun en yakın komşu çiftinden ve bir kafes boşluğundan oluşur .

Bu kusurun iki şarj durumu, nötr NV 0 ve negatif NV , optik absorpsiyon , fotolüminesans (PL), elektron paramanyetik rezonans (EPR) ve optik olarak algılanan manyetik rezonans (ODMR) kullanan spektroskopik çalışmalarda bilinmektedir. PL ve EPR'nin melezi; yapının çoğu detayı EPR'den kaynaklanmaktadır. Bir yandan nitrojen atomunun beş değerlik elektronu vardır. Bunlardan üçü karbon atomlarına kovalent olarak bağlıdır, diğer ikisi ise bağlanmadan kalır ve yalnız çift olarak adlandırılır . Boşluk ise üç eşleşmemiş elektrona sahiptir. Bunlardan ikisi yarı kovalent bağ oluşturur ve biri eşleşmemiş halde kalır. Ancak genel simetri ekseneldir (üçgen C 3V ); Bunu, eşlenmemiş üç boşluk elektronunun sürekli olarak rollerini değiş tokuş ettiğini hayal ederek görselleştirebiliriz.

NV 0 bu nedenle bir eşleşmemiş elektrona sahiptir ve paramanyetiktir. Ancak, yoğun çabalara rağmen , NV 0'dan gelen elektron paramanyetik rezonans sinyalleri, 2008'e kadar on yıllar boyunca algılamadan kaçındı. NV 0 kusurunu EPR ile saptanabilir uyarılmış duruma getirmek için optik uyarım gerekir ; temel durumdan gelen sinyaller muhtemelen EPR tespiti için çok geniştir.

NV 0 merkezleri NV dönüştürülebilir - değiştirerek Fermi seviyesi pozisyonu. Bu , örneğin bir Schottky diyotunda , katkılı elmastan yapılmış bir pn bağlantısına harici voltaj uygulanarak elde edilebilir .

Negatif yük durumunda NV , boşluk bölgesinde boşluk elektronlarından biri ile bir spin S=1 çifti oluşturan fazladan bir elektron bulunur. NV 0'da olduğu gibi, boşluk elektronları genel trigonal simetriyi koruyan "rol alışverişinde bulunur". Bu NV durumu, yaygın olarak ve kısmen yanlış olarak "azot-boşluk merkezi" olarak adlandırılan şeydir. Nötr durum, spin manipülasyonları için henüz araştırılmamıştır.

NV merkezleri, bir elmas kristal içinde rastgele yönlendirilir. İyon implantasyon teknikleri, önceden belirlenmiş konumlarda yapay oluşumlarını sağlayabilir.

Üretim

Azot-boşluk merkezleri tipik olarak tek ikameli nitrojen merkezlerinden (elmas literatüründe C veya P1 merkezleri olarak adlandırılır) ışınlama ve ardından 700 °C'nin üzerindeki sıcaklıklarda tavlama ile üretilir. Elektronlar, protonlar, nötronlar, iyonlar ve gama fotonları dahil olmak üzere çok çeşitli yüksek enerjili parçacıklar bu tür ışınlama için uygundur. Işınlama, NV merkezlerinin bir parçası olan kafes boşlukları üretir. Bu boşluklar oda sıcaklığında hareketsizdir ve bunları taşımak için tavlama gerekir. Tek ikameli nitrojen, elmas kafeste gerilim üretir; bu nedenle hareketli boşlukları verimli bir şekilde yakalayarak NV merkezlerini üretir.

Elmasın kimyasal buharla çökeltilmesi sırasında , tek ikameli nitrojen safsızlığının küçük bir kısmı (tipik olarak <%0,5), plazma sentezinin bir sonucu olarak oluşan boşlukları yakalar. Bu tür nitrojen-boşluk merkezleri, tercihen büyüme yönüne göre hizalanır.

Elmas, nispeten büyük bir kafes gerilimine sahip olmasıyla ünlüdür. Gerilme, ayrı merkezlerden optik geçişleri böler ve kaydırır, bu da merkez topluluklarında geniş çizgilerle sonuçlanır. Çoğu deney için gerekli olan son derece keskin NV çizgileri (çizgi genişliği ~ 10 MHz) üretmek için özel özen gösterilir: yüksek kaliteli, saf doğal veya daha iyi sentetik elmaslar (tip IIa) seçilir. Birçoğu zaten yeterli konsantrasyonda büyütülmüş NV merkezlerine sahiptir ve uygulamalar için uygundur. Değilse, yüksek enerjili parçacıklar tarafından ışınlanırlar ve tavlanırlar. Belirli bir ışınlama dozunun seçilmesi, üretilen NV merkezlerinin konsantrasyonunun, bireysel NV merkezlerinin mikrometre genişliğindeki mesafelerle ayrılacağı şekilde ayarlanmasına izin verir. Ardından, bireysel NV merkezleri, standart optik mikroskoplar veya daha iyisi, mikrometre altı çözünürlüğe sahip yakın alan taramalı optik mikroskoplar ile incelenebilir .

NV merkezinin şematik enerji seviyesi yapısı. 1.945 eV (637 nm) ile ayrılmış toprak 3 A ve uyarılmış 3 E durumları arasındaki elektron geçişleri , absorpsiyon ve lüminesans üretir. 3 bir durumu 2.87 GHz ile bölünür 3 1.42 GHz ile e durum. 0, ±1 sayıları spin kuantum sayısını gösterir m s ; yörünge dejenerasyonundan kaynaklanan bölünme gösterilmemiştir.

Enerji seviyesi yapısı

NV merkezi, bir temel durum üçlüsüne ( 3 A) , bir uyarılmış durum üçlüsüne ( 3 E) ve iki orta durum teklisine ( 1 A ve 1 E) sahiptir . Hem 3 A hem de 3 E , iki elektron spininin hizalandığı (yukarı, m s = +1 olacak şekilde veya aşağı, m s = -1 olacak şekilde) ve bir m s'nin hizalandığı m s = ±1 spin durumları içerir. = Elektron dönüşlerinin antiparalel olduğu 0 dönüş durumu. Manyetik etkileşim nedeniyle, m s = ±1 durumlarının enerjisi , m s = 0 durumundan daha yüksektir . 1 A ve 1 E, yalnızca her biri m s = 0 olan bir döndürme durumu teklisi içerir .

NV merkezinin kusur ekseni (azot atomu ve boşluk ile hizalanan eksen) boyunca harici bir manyetik alan uygulanırsa, m s = 0 durumlarını etkilemez , ancak m s = ±1 seviyelerini böler. ( Zeeman etkisi ). Benzer şekilde, çevrenin aşağıdaki diğer özellikleri de enerji seviyesi diyagramını etkiler (ayrıca #Dış alanların etkileri altında tartışılacaktır ) :

  1. Genlik ve statik oryantasyonu manyetik alan böler m s taban ve uyarılmış devletlerde = ± 1 seviyeleri.
  2. Elastik (gerilme) veya elektrik alanlarının genliği ve yönelimi , farklı seviyelerde çok daha küçük ama aynı zamanda daha karmaşık etkilere sahiptir.
  3. Sürekli dalga mikrodalga radyasyonu (m s = 0 ve (biri) m s = ±1 durumları arasındaki geçişle rezonansta uygulanır ) zemin ve uyarılmış durum içindeki alt seviyelerin popülasyonunu değiştirir.
  4. Ayarlanabilir bir lazer , zemin ve uyarılmış durumların belirli alt seviyelerini seçici olarak uyarabilir.
  5. Çevreleyen dönüşler ve dönüş-yörünge etkileşimi, NV merkezi tarafından deneyimlenen manyetik alanı modüle edecektir.
  6. Sıcaklık ve basınç, zemin ve uyarılmış durumlar arasındaki kayma dahil olmak üzere spektrumun farklı kısımlarını etkiler.

Yukarıda açıklanan enerji yapısı, elmas veya diğer yarı iletkenlerdeki bir kusur için hiçbir şekilde istisnai değildir. NV merkezinin bir qubit ve kuantum sensörü olarak kullanılmasını öneren tek başına bu yapı değil, birkaç olumlu faktörün (önceki bilgi, kolay üretim, biyouyumluluk, basit başlatma, oda sıcaklığında kullanım vb.) bir kombinasyonuydu .

Optik özellikler

Oda sıcaklığında NV - merkezinin optik absorpsiyonu ve emisyonu .

NV merkezleri, görünür yeşil ışıkla rezonanssız bir şekilde uyarılırsa ( 3 A → 3 E geçişleri) parlak kırmızı ışık yayar ( 3 E → 3 A geçişleri). Bu, argon veya kripton lazerler , frekansı ikiye katlanmış Nd:YAG lazerler , boya lazerleri veya He-Ne lazerler gibi uygun ışık kaynaklarıyla yapılabilir . Uyarma, sıfır fonon emisyonunun altındaki enerjilerde de elde edilebilir .

Uyarılmış halden gevşeme süresi küçük olduğundan (~10 ns ), emisyon, uyarımdan hemen sonra gerçekleşir. Oda sıcaklığında, NV merkezinin optik spektrumu, termal genişleme nedeniyle keskin tepe noktaları göstermez. Bununla birlikte, NV merkezlerinin sıvı nitrojen veya sıvı helyum ile soğutulması , hatları birkaç MHz genişliğe kadar önemli ölçüde daraltır. Düşük sıcaklıkta, sıfır fonon hattını (ZPL) özel olarak adreslemek de mümkün hale gelir.

Bireysel NV merkezlerinden gelen ışıldamanın önemli bir özelliği, yüksek zamansal kararlılığıdır. Tek moleküllü yayıcıların çoğu 10 6 – 10 8 foton emisyonundan sonra ağartırken (yani şarjlarını değiştirir ve kararır) , oda sıcaklığında NV merkezleri için ağartma olası değildir. Güçlü lazer aydınlatma Ancak bazı NV dönüştürebilir - NV içine 0 merkezleri.

Bu özelliklerden dolayı, NV merkezlerini ele almak için ideal teknik , hem oda sıcaklığında hem de düşük sıcaklıkta konfokal mikroskopidir .

Devlet manipülasyonu

Elmastaki NV merkezindeki spin dinamikleri. Zemin ve uyarılmış durum üçlüleri arasındaki birincil geçiş, dönüşün korunmasıdır. Ara singletlar yoluyla bozunma, dönüşü m s = ±1'den m s = 0'a dönüştürerek dönüş polarizasyonuna yol açar . Stokes kayması nedeniyle farklılık gösterdikleri için hem absorpsiyon hem de emisyon dalga boyları belirtilmiştir . Ayrıca, kusur ekseni boyunca statik bir manyetik alan B 0'ın etkisi ve sonuçta ortaya çıkan Zeeman kayması belirtilir. Burada γ nv , NV merkezinin gyromanyetik oranını ifade eder . Birçok uygulamada, temel durum seviyelerinin ikisi daha sonra bir kübit olarak kullanılır. Bu etkili iki seviyeli sistemdeki geçişler, bir mikrodalga alanı kullanılarak indüklenebilir. 3E-1A ve 1E-3A ışınımsız geçişlerdir.

Optik spin manipülasyonu

Optik geçişler toplam dönüşü korumalı ve sadece aynı toplam dönüşün seviyeleri arasında gerçekleşmelidir. Spesifik olarak, zemin ve uyarılmış durumlar (eşit dönüşlü) arasındaki geçişler, 546 nm dalga boyuna sahip yeşil bir lazer kullanılarak indüklenebilir. 3 E→ 1 A ve 1 E→ 3 A geçişleri ışınımsal değildir, 1 A→ 1 E ise hem ışınımsal olmayan hem de kızılötesi bozunma yoluna sahiptir.

Soldaki diyagram, simetrilerine (E veya A) ve dönüş durumlarına göre etiketlenmiş NV merkezinin çoklu elektronik durumlarını gösterir (üçlü (S=1) için 3 ve tekli (S=0) için 1) . İki triplet durumu ve iki ara singlet durumu vardır.

Spin durumu başlatma

3 E ve 1 A arasındaki ışınımsız geçişin önemli bir özelliği, m s = ±1 için daha güçlü ve m s = 0 için daha zayıf olmasıdır. Bu, dönüş durumu başlatma olarak adlandırılan çok kullanışlı bir manipülasyon stratejisinin temelini sağlar. (veya optik spin-polarizasyon). Süreci anlamak için önce, tüm geçişlerin frekanslarından daha yüksek bir frekansa (tipik olarak 2.32 eV (532 nm)) sahip olan ve dolayısıyla tüm geçişler için vibronik bantlarda bulunan bir rezonans dışı uyarımı düşünün . Bu dalga boyunda bir darbe kullanılarak, 3 A'dan 3 E'ye kadar tüm spin durumları uyarılabilir. m s = 0 olan temel durumdaki bir NV merkezi , koruma nedeniyle m s = 0 ile karşılık gelen uyarılmış duruma uyarılacaktır. spin. Daha sonra orijinal durumuna geri döner. m s = ±1 olan bir temel durum için durum farklıdır. Uyarma işleminden sonra, ışınımsız geçişle 1 A ara durumuna ve daha sonra m s = 0 ile temel duruma bozunma olasılığı nispeten yüksektir. Birçok döngüden sonra, NV merkezinin durumu (bunun olup olmadığından bağımsız olarak). m s = 0 veya m s = ±1) ile başlayan, m s = 0 temel durumunda sona erecektir . Bu süreç, kuantum bilgi işleme veya kuantum algılama için bir kübitin kuantum durumunu başlatmak için kullanılabilir .

Bazen NV merkezinin polarize edilebilirliği, 1 E'den m s = ±1 ile temel duruma geçişin, m s = 0'a geçişe kıyasla küçük olduğu iddiasıyla açıklanır. m s = 0 durum için düşük bozunma olasılığı wrt m s = ±1 durum için 1 A polarizasyonu açıklamak için yeterlidir.

Dış alanların etkileri

Mikrodalga döndürme manipülasyonu

m s  = 0 ve m s  = ±1 durumları arasındaki enerji farkı mikrodalga rejimine karşılık gelir . Popülasyon, kusur eksenine dik bir rezonans manyetik alan uygulanarak durumlar arasında transfer edilebilir. Çok sayıda dinamik efekt ( dönüş yankısı , Rabi salınımları , vb.), dikkatle tasarlanmış bir dizi mikrodalga darbesi uygulanarak kullanılabilir. Bu tür protokoller, kuantum bilgisayarların pratik olarak gerçekleştirilmesi için oldukça önemlidir . Nüfusu manipüle ederek, NV merkezini daha hassas veya istikrarlı bir duruma getirmek mümkündür. Ortaya çıkan kendi dalgalanan alanları, çevreleyen çekirdekleri etkilemek veya NV merkezinin kendisini gürültüden korumak için de kullanılabilir . Bu, tipik olarak, salınan bir manyetik alan oluşturan bir tel döngü (mikrodalga anten) kullanılarak yapılır.

Dış faktörlerin etkisi

Bir manyetik alan kusur ekseni boyunca yönlendirilirse , m s = +1'i m s = -1 durumlarından ayıran Zeeman bölünmesine yol açar . Bu teknik, yozlaşmayı kaldırmak ve spin durumlarından sadece ikisini (genellikle m s = -1 ve m s = 0 olan temel durumlar ) bir kübit olarak kullanmak için kullanılır . Popülasyon daha sonra bir mikrodalga alanı kullanılarak aralarında transfer edilebilir. Manyetik alanın 1027 G'ye (veya 508 G) ulaştığı özel durumda, o zaman  toprak (veya uyarılmış) durumdaki m s  = –1 ve m s = 0 durumları enerjide eşit hale gelir (Toprak/Uyarılmış Durum Seviyesi Karşı Çaprazlama). Aşağıdaki güçlü etkileşim , bu durumları içeren optik absorpsiyon ve lüminesans geçişlerinin yoğunluğunu güçlü bir şekilde etkileyen spin polarizasyonu ile sonuçlanır.

Önemli olarak, bu bölme , bölmenin fiziği biraz daha karmaşık olsa da, yukarıda özetlenen manyetik alan mekanizmasına benzer bir şekilde, harici bir elektrik alanı uygulanarak modüle edilebilir . Bununla birlikte, önemli bir pratik sonuç, lüminesans çizgilerinin yoğunluğunun ve konumunun modüle edilmesidir. Gerilme , NV merkezi üzerinde elektrik alanları gibi benzer bir etkiye sahiptir.

Ek bir bölme bulunmaktadır m s  = ± 1 enerji düzeyleri, bundan kaynaklanır , aşırı ince çevreleyen arasındaki etkileşim , nükleer spin ve NV merkezi. Bu nükleer dönüşler, NV spektrumunun daha fazla bozulmasına yol açan kendi manyetik ve elektrik alanları yaratır (bkz. nükleer Zeeman ve dört kutuplu etkileşim). Ayrıca NV merkezinin kendi spin-yörünge etkileşimi ve yörünge dejenerasyonu, uyarılmış 3 E durumunda ek seviye bölünmesine yol açar .

Sıcaklık ve basınç , NV merkezinin sıfır alan terimini doğrudan etkiler ve zemin ve uyarılmış durum seviyeleri arasında bir kaymaya yol açar.

Farklı faktörlerin NV merkezi üzerindeki etkisini gösteren, bir sistemin dinamiklerini tanımlayan kuantum mekaniksel bir denklem olan Hamiltonian aşağıda bulunabilir.

NV merkezinin Hamiltoniyeni.png

Zorlayıcı olabilse de, tüm bu etkilerin ölçülebilir olması, NV merkezini bir kuantum sensörü için mükemmel bir aday haline getiriyor .

Şarj durumu manipülasyonu

Bir geçit voltajı uygulayarak NV merkezinin şarj durumunu (yani NV , NV + ve NV 0 arasında ) değiştirmek de mümkündür .

Potansiyel uygulamalar

NV merkezini kullanarak termal mikroskopi tarama .
(a) Deney düzeneğinin şemaları. Bir AFM konsolunun kollarına bir elektrik akımı uygulanır ( fosfor katkılı Si, P:Si) ve ucun üzerindeki uç bölümü ısıtır ( intrinsik Si, i -Si). Alttaki lens, yeşil lazer ışığıyla bir elmas nanokristalini heyecanlandırır ve fotolüminesans (PL) toplar. Kristal bir NV merkezine ev sahipliği yapar ve AFM ucuna bağlıdır. Numune yüzeyindeki bir tel mikrodalga kaynağı (mw) görevi görür. Konsolun sıcaklığı T h , uygulanan akım ve voltajdan belirlenir.
(b) Üç sıcaklıkta NV merkezinin ODMR spektrumları. Çizgi bölünmesi, ∼1 mT uygulanan bir manyetik alandan kaynaklanır.
(c)
Safir üzerindeki altın E harfinin termal iletkenlik görüntüsü . Beyaz daireler, AFM topografyası ile ilişkili olmayan özellikleri gösterir. (d) Elmas nanokristalin parlak nokta olarak göründüğü AFM konsol ucunun ve ucunun PL görüntüsü. (e) d'deki NV merkezinin yakınlaştırılmış PL görüntüsü.

NV - merkezlerinden gelen optik sinyallerin spektral şekli ve yoğunluğu, sıcaklık, gerinim, elektrik ve manyetik alan gibi harici bozulmalara karşı hassastır. Bununla birlikte, NV - sinyallerini keskinleştirmek için elmasın kriyojenik sıcaklıklara soğutulması gerekeceğinden, bu bozulmaları algılamak için spektral şeklin kullanılması pratik değildir . Daha gerçekçi bir yaklaşım, elmasa temel durum seviyelerinin bölünmesiyle eşleşen bir mikrodalga frekansı uygulandığında keskin bir rezonans sergileyen lüminesans yoğunluğunu (çizgi şeklinden ziyade) kullanmaktır. Ortaya çıkan optik olarak algılanan manyetik rezonans sinyalleri, oda sıcaklığında bile keskindir ve minyatür sensörlerde kullanılabilir. Bu tür sensörler, 100 saniyelik ortalamadan sonra kilohertz frekanslarında birkaç nanotesla'lık manyetik alanları veya yaklaşık 10 V/cm'lik elektrik alanlarını algılayabilir. Bu hassasiyet, bir NV - merkezinden onlarca nanometre uzakta bulunan tek bir elektron tarafından üretilen bir manyetik veya elektrik alanının tespit edilmesini sağlar .

Aynı mekanizmayı kullanarak, NV - merkezleri, yüksek çözünürlüklü uzamsal sıcaklık ve termal iletkenlik haritalarını ölçmek için termal mikroskopi taramasında kullanıldı (resme bakın).

NV - merkezlerinin bir başka olası kullanımı , kristalin kütlesindeki tam mekanik stres tensörünü ölçmek için bir dedektör olarak kullanılmasıdır. Bu uygulama için, sıfır fonon hattının stres kaynaklı bölünmesinden ve polarizasyon özelliklerinden yararlanılır. 350 °C'ye kadar çalışan elektron dönüşüne bağlı fotolüminesans kullanan sağlam bir frekans modülasyonlu radyo alıcısı, aşırı koşullarda kullanım olasılığını gösterir.

Kuantum optik uygulamalara ek olarak, canlı hücrelerde sıvı akışı gibi biyolojik süreçlerin görüntülenmesi için NV - merkezlerinden gelen lüminesans uygulanabilir. Bu uygulama, elmas nano parçacıkların canlı hücrelerle iyi uyumluluğuna ve NV - merkezlerinden gelen fotolüminesansın olumlu özelliklerine (güçlü yoğunluk, kolay uyarma ve algılama, zamansal kararlılık, vb.) dayanır . Büyük tek kristalli elmaslarla karşılaştırıldığında, nano elmaslar ucuzdur (gram başına yaklaşık 1 USD) ve çeşitli tedarikçilerden temin edilebilir. NV - merkezler, yukarıda açıklanan standart ışınlama ve tavlama işlemi kullanılarak mikrometre altı parçacık boyutuna sahip elmas tozlarında üretilir. Nispeten küçük nanoelmas boyutu nedeniyle, NV merkezleri, orta enerjili H+ ışını ile 100 nm veya daha az nanoelmas ışınlanarak üretilebilir. Bu yöntem, gerekli iyon dozunu ve reaksiyonu azaltarak sıradan laboratuvarda floresan nano elmasların toplu olarak üretilmesini mümkün kılar. Bu yöntemle üretilen floresan nanoelmas parlak ve fotostabildir, bu da onu canlı hücredeki tek parçacığın uzun süreli, üç boyutlu takibi için mükemmel kılar. Bu nano elmaslar bir hücreye sokulur ve parlaklıkları standart bir floresan mikroskobu kullanılarak izlenir .

Daha fazla NV - merkezinin, kuş pusulasının radikal çift dönüş dinamiklerini taklit etmek için potansiyel bir biyo-mimetik sistem olduğu varsayılmıştır .

NV - merkezinden uyarılmış emisyon gösterilmiştir, ancak bu, ZPL'den değil, yalnızca fonon yan bandından (yani geniş bant ışığı) elde edilebilir. Bu amaçla, daha yüksek enerjili uyarım merkezi iyonize ettiğinden, merkezin ~650 nm'den daha uzun bir dalga boyunda uyarılması gerekir.

İlk sürekli dalga oda sıcaklığında maser gösterildi. Yüksek Purcell faktörlü mikrodalga boşluğu ve 4300 G'lik bir harici manyetik alan içinde tutulan 532 nm pompalı NV - merkezleri kullandı . Sürekli maser salınımı ~9.2 GHz'de tutarlı bir sinyal üretti.

NV merkezi , ikinci rejime yaklaşan çok uzun bir dönüş tutarlılık süresine sahip olabilir . Bu, kuantum algılama ve kuantum iletişimindeki uygulamalar için avantajlıdır . Bu uygulamalar için dezavantaj, NV merkezinin uzun radyasyon ömrü (~12 ns) ve emisyon spektrumundaki güçlü fonon yan bandıdır. NV merkezini optik bir boşluğa yerleştirerek her iki sorun da çözülebilir .

Tarihsel açıklamalar

NV merkezleri topluluklarının mikroskobik modeli ve çoğu optik özellikleri, tek eksenli stres ve elektron paramanyetik rezonansı ile birleştirilen optik ölçümlere dayalı olarak 1970'lerde sağlam bir şekilde kurulmuştur. Bununla birlikte, EPR sonuçlarındaki küçük bir hata (NV - EPR sinyallerini gözlemlemek için aydınlatmanın gerekli olduğu varsayılmıştır ) enerji seviyesi yapısında yanlış çokluk atamalarına neden olmuştur. 1991 yılında, yukarıda gösterilen enerji seviyesi şemasını oluşturan EPR'nin aydınlatma olmadan gözlemlenebileceği gösterildi. Uyarılmış durumdaki manyetik yarılma ancak son zamanlarda ölçülmüştür.

Tek NV - merkezlerinin karakterizasyonu, günümüzde en prestijli bilimsel dergilerde yayınlanan düzinelerce makale ile çok rekabetçi bir alan haline geldi. İlk sonuçlardan biri 1997'de rapor edilmişti. Bu yazıda, tek NV merkezlerinin floresansının oda sıcaklığında floresan mikroskobu ile tespit edilebileceği ve kusurun mükemmel fotostabilite gösterdiği gösterildi. Ayrıca NV merkezinin olağanüstü özelliklerinden biri de, yani oda sıcaklığında optik olarak algılanan manyetik rezonans gösterildi.

Ayrıca bakınız

Notlar

Referanslar