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SRS射頻信號發(fā)生器在金剛石氮空位色心的研究介紹

量子計算和量子傳感近年來受到了廣泛的關(guān)注.金剛石氮空位色心以其簡單穩(wěn)定的自旋能級結(jié)構(gòu)、高效便捷的光學(xué)躍遷規(guī)則以及室溫下超長的自旋量子態(tài)相干時間而成為量子信息科學(xué)中引人矚目的新星，近十年來，金剛石氮空位色心的研究呈爆炸式增長(見圖1)

圖1：每年提及“氮空位”和“金剛石”的出版物總數(shù)（Google Scholar）。
顧名思義，氮空位色心（NV-Nitrogen-Vacancy center）（圖2）是由一個氮原子取代金剛石中的一個碳原子,然后捕獲周圍的一個空穴形成的。在NV位上懸浮鍵的電子通過雜化產(chǎn)生自旋-1系統(tǒng)，具有明確的能量狀態(tài)和較長的自旋壽命，即使在室溫下也是如此。這樣就可以通過磁共振的自旋操控技術(shù)在精確定時的微波磁場下來控制NV點的自旋狀態(tài)。由于它的能級對外部磁場和電場都很敏感，使得這種自旋狀態(tài)可以作為外部環(huán)境的傳感器。

圖2：金剛石中NV色心由碳原子(灰色)、氮原子(橙色)和相鄰空位組成，并有懸空鍵(紫色)[1]。
在NV實驗中監(jiān)測到的能量狀態(tài)如圖3所示:

眾所周知，金剛石中的缺陷會使原本透明的晶體產(chǎn)生顏色(例如，氮取代缺陷使金剛石呈現(xiàn)黃色，而硼取代則產(chǎn)生藍色)。在532nm激光激發(fā)下，NV在637 nm處產(chǎn)生熒光衰減。重要的是?_s=±1自旋態(tài)是無輻射衰減，從而提供了一種利用監(jiān)測光致發(fā)光變化來檢測自旋狀態(tài)的方法。也就說，當(dāng)自旋態(tài)被激發(fā)到不穩(wěn)定態(tài)?s =±1級(使用2.87 GHz微波)，有缺陷的紅光輸出會略有減少(圖4 (a))。此外，?s =±1的能級狀態(tài)可以被外部磁場調(diào)節(jié)。通過測量吸收峰之間的頻率分裂(如圖4(b)所示)，可以測量出該外部磁場。

圖4。(a)在2.87GHz躍遷共振微波作用下的光致發(fā)光衰減(??= 0和1狀態(tài)之間)。
(b)非零磁場下的??= +1和-1狀態(tài)之間的分裂[3]。
能量狀態(tài)的改變也可能是由外部電場[4]，溫度[5] [6]或金剛石晶格的應(yīng)變[7]引起，這使得NV光學(xué)探測磁共振（ODMR）對于感測這些量中的任何一個都有作用。因為NV軸可以匹配金剛石晶格中4個晶軸中的任何一個，因此可以執(zhí)行3D矢量場感測[8]。例如，結(jié)合共聚焦顯微鏡技術(shù)可以解決NV共振位移的空間分辨圖，趨磁細菌產(chǎn)生的磁場矢量圖譜詳見（圖5）[g]。

圖5。(a)趨磁細菌的光學(xué)圖像。(e)同一細菌的SEM圖像，其中磁性納米粒子(黑色)清晰可見。(b,c,d)磁場x, y, z分量由NV金剛石光學(xué)探測磁共振測量確定。(f,g,h)實測場分布的數(shù)值擬合(來自[g])。
和大多數(shù)磁共振測量一樣，第一次NV實驗涉及大量的缺陷。然而，令人驚訝的是，在低缺陷密度的樣品中，單個NV色心可以被隔離和監(jiān)測。由于NV是原子大小的，這意味著單自旋NV傳感器的空間分辨率僅受限于與其感興趣樣品的距離。例如，通過在原子力顯微鏡探針的尖端定位單個NV色心，已經(jīng)證明了具有25nm分辨率和56nT/Hz^-1/2的磁疇成像[10]。

此外，NV色心的極端敏感性和生物相容性（金剛石只是碳，因此沒有表現(xiàn)出毒性），顯示了納米核磁共振測量的特殊前景，其中NV中心被耦合到與之感興趣的有機和生物分子的核自旋的雜散場上[11]。因此，NV被定位為革命性的納米磁共振成像技術(shù)，并提供了一種在環(huán)境條件下獲得單分子3D圖像的途徑[12]。事實上，NV色心的單質(zhì)子自旋探測已經(jīng)被證實[13]。

NV場感測和納米成像不限于靜態(tài)場。現(xiàn)在，一些研究小組已經(jīng)證明了基于NV探測和時變磁場的磁場掃描是由鐵磁鐵中的自旋波產(chǎn)生[14][15]或電流波動[16][17]。

為了進一步增加NV應(yīng)用的長列表、長壽命的自旋狀態(tài)、與外部場的可操作性以及與環(huán)境的可調(diào)諧相互作用（通過晶格工程）也使它們成為量子計算中信息單元“qubit”的領(lǐng)跑者[18]。

量子計算和傳統(tǒng)計算一樣，可能需要將長壽命存儲位與快速處理位分離。將長壽命的“內(nèi)存”量子位（基于附近的氮原子或13c原子核自旋）與NV自旋的耦合[19][20][21]可以精確地提供這種內(nèi)存和處理架構(gòu)。超導(dǎo)磁通量子位（另一個強大的量子計算候選者）和NV色心之間的相干耦合也得到了證明[22]，為量子處理和存儲所需要的光學(xué)與微波之間讀寫的接口鋪平了道路。
SRS產(chǎn)品在NV研究中的應(yīng)用
在NV金剛石中進行光學(xué)檢測磁共振實驗的關(guān)鍵是掃描微波頻率的能力。為了測量自旋態(tài)壽命，執(zhí)行微波脈沖序列也很有用。SRS射頻信號發(fā)生器（SG384和SG386）和矢量信號發(fā)生器（SG394和SG396）非常適合在NV-ODMR研究中的所需要的頻率范圍內(nèi)產(chǎn)生微波。下面是使用SRS產(chǎn)品的NV相關(guān)參考的列表。
1. Optical magnetic imaging of living cells https://www.nature.com/articles/nature12072
使用設(shè)備: SG384 (+ amplifier)

2. Miniature Cavity-Enhanced Diamond Magnetometer https://journals.aps.org/prapplied/abstract/10.1103/PhysRevApplied.8.044019
使用設(shè)備: SG394 (+ 16W amplifier, circulator)

3. Microwave-free magnetometry with nitrogen-vacancy centers in diamond https://aip.scitation.org/doi/full/10.1063/1.4960171
使用設(shè)備: SR865, SIM960

4. Precision temperature sensing in the presence of magnetic field noise and vice-versa using nitrogen-vacancy centers in diamond https://arxiv.org/abs/1802.07224
使用設(shè)備: SG394(2x) (+power combiner, switch, and amplifier), SR850

5. Quantum Control of Nuclear Spins Coupled to Nitrogen-Vacancy Centers in Diamond (dissertation, S. Sangtawesin)
使用設(shè)備: SG394 (+ amplifier)

References
[1] Z. Fotoniki, "Diamonds with nitrogen-vacancy (NV) color centres," 2018. [Online]. Available:https://zf.if.uj.edu.pl/en/node/518.
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[21] M. D. Lukin, "Room-Temperature Quantum Bit Memory Exceeding One Second," Science,vol. 336, pp. 1283-1286, 2012.
[22] K. Semba, "Coherent coupling of a superconducting flux qubit to an electron spin ensemble in diamond," Nature, vol. 478, pp. 221-224, 2011.
[23] C. Degen, "Single-proton spin detection by diamond magnetometry," Science, 2014.

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