Оптически обнаруженный магнитный резонанс

В физике оптически обнаруженный магнитный резонанс ( ODMR ) представляет собой метод двойного резонанса, с помощью которого состояние электронного спина дефекта кристалла может быть оптически накачено для инициализации и считывания спина. ^[1]

Как и электронный парамагнитный резонанс (ЭПР), ODMR использует эффект Зеемана в неспаренных электронах. Отрицательно заряженный центр вакансий азота (NV ⁻) вызвал значительный интерес в отношении проведения экспериментов с использованием ODMR. ^[2]

ОДМР НВ ⁻s в алмазе имеет применение в магнитометрии ^[3] и зондирование, биомедицинская визуализация, квантовая информация и исследования фундаментальной физики .

НВ ОДМР

Дефект вакансии азота в алмазе состоит из одного замещающего азота атома (заменяющего один атом углерода ) и прилегающей щели или вакансии в решетке, где обычно располагается атом углерода.

Центр вакансии азота в решетке алмаза , вид вдоль оси [100]. Атомы углерода (серые) составляют объемный кристалл алмаза. Замещающий атом азота (синяя сфера) располагается рядом с вакансией (заштрихованная область), образуя NV.

Азотная вакансия находится в трех возможных зарядовых состояниях: положительном (NV ⁺), нейтральный (НВ ⁰) и отрицательный (NV ⁻). ^[4] Как НВ ⁻ Это единственное из этих состояний заряда, которое оказалось активным ODMR, его часто называют просто NV.

Структура энергетических уровней НВ ⁻ состоит из триплетного основного состояния, триплетного возбужденного состояния и двух синглетных состояний. При резонансном оптическом возбуждении NV может перейти из триплетного основного состояния в триплетное возбужденное состояние. Затем центр может вернуться в основное состояние двумя путями; путем испускания фотона с длиной волны 637 нм в бесфононной линии (ZPL) (или с более длинной волной из боковой полосы фонона) или, альтернативно, через вышеупомянутые синглетные состояния посредством межкомбинационного пересечения и испускания фотона с длиной волны 1042 нм. Возврат в основное состояние по последнему пути предпочтительно приведет к $m_{s}=0$ состояние.

Расслабление $m_{s}=0$ Состояние обязательно приводит к уменьшению флуоресценции видимой длины волны (поскольку испускаемый фотон находится в инфракрасном диапазоне). СВЧ- накачка на резонансной частоте $\nu =2.87{\text{ }}GHz$ помещает центр в вырожденный $m_{s}=\pm 1$ состояние. Приложение магнитного поля снимает это вырождение , вызывая зеемановское расщепление и уменьшение флуоресценции на двух резонансных частотах, определяемых выражением $h\nu =g_{e}\mu _{B}B_{0}$ , где $h$ — постоянная Планка , $g_{e}$ - электронный g-фактор и $\mu _{B}$ это магнетон Бора . Проведение микроволнового поля по этим частотам приводит к двум характерным провалам наблюдаемой флуоресценции, разделение между которыми позволяет определить силу магнитного поля. $B_{0}$ .

Сверхтонкое расщепление

Дальнейшее расщепление спектра флуоресценции может произойти из-за сверхтонкого взаимодействия , что приводит к дальнейшим резонансным условиям и соответствующим спектральным линиям. В NV-ODMR эта детальная структура обычно возникает из атомов азота и углерода-13 вблизи дефекта. Эти атомы имеют небольшие магнитные поля, которые взаимодействуют со спектральными линиями NV, вызывая дальнейшее расщепление.

Ссылки

^ Делани, П; Грир, Джей Си (февраль 2010 г.). «Механизмы спиновой поляризации азотно-вакансионного центра в алмазе» (PDF) . Нано-буквы . 10 (2): 610–614. Бибкод : 2010NanoL..10..610D . дои : 10.1021/nl903646p . ПМИД 20085271 . Архивировано из оригинала (PDF) 10 августа 2018 г. Проверено 9 августа 2018 г.
^ Клевенсон, Х; Инглунд, Д. (2015). «Широкополосная магнитометрия и измерение температуры с помощью светоулавливающего алмазного волновода». Физика природы . 11 (5): 393–397. arXiv : 1406.5235 . Бибкод : 2015NatPh..11..393C . дои : 10.1038/nphys3291 . S2CID 118513300 .
^ Шипо, М; Дебюссихерт, Т (2015). «Магнитная визуализация ансамбля азотных вакансий-центров в алмазе». Европейский физический журнал Д. 69 (7): 69:166. arXiv : 1410.0178 . Бибкод : 2015EPJD...69..166C . дои : 10.1140/epjd/e2015-60080-1 . S2CID 118547338 .
^ Пфендер, М (2016). «Исследование положительно заряженного азотно-вакансионного центра в алмазе как долгоживущей квантовой памяти». Тезисы совещаний APS . 2016 : 45 006 рандов. Бибкод : 2016APS..MARR45006P .

Библиография

Ван, Дж. Ф.; Лю, Л.; Лю, XD; Ли, К.; Кюи, Ж.М.; Чжоу, DF; Чжоу, JY; Вэй, Ю.; Сюй, ХА; Сюй, В.; Лин, Западный Запад; Ян, JW; Он, ZX; Лю, ZH; Хао, Чж.; Ли, ХО; Лю, В.; Сюй, Дж.С.; Грегорианц, Э.; Ли, CF; Го, GC (23 марта 2023 г.). «Китайский прорыв в сверхпроводящем магнитном детектировании высокого давления» . Природные материалы . 22 (4). SciTech Daily : 489–494. дои : 10.1038/s41563-023-01477-5 . ПМИД 36959503 . S2CID 247045144 .

[1] Делани, П; Грир, Джей Си (февраль 2010 г.). «Механизмы спиновой поляризации азотно-вакансионного центра в алмазе» (PDF) . Нано-буквы . 10 (2): 610–614. Бибкод : 2010NanoL..10..610D . дои : 10.1021/nl903646p . ПМИД 20085271 . Архивировано из оригинала (PDF) 10 августа 2018 г. Проверено 9 августа 2018 г.

[2] Клевенсон, Х; Инглунд, Д. (2015). «Широкополосная магнитометрия и измерение температуры с помощью светоулавливающего алмазного волновода». Физика природы . 11 (5): 393–397. arXiv : 1406.5235 . Бибкод : 2015NatPh..11..393C . дои : 10.1038/nphys3291 . S2CID 118513300 .

[3] Шипо, М; Дебюссихерт, Т (2015). «Магнитная визуализация ансамбля азотных вакансий-центров в алмазе». Европейский физический журнал Д. 69 (7): 69:166. arXiv : 1410.0178 . Бибкод : 2015EPJD...69..166C . дои : 10.1140/epjd/e2015-60080-1 . S2CID 118547338 .

[4] Пфендер, М (2016). «Исследование положительно заряженного азотно-вакансионного центра в алмазе как долгоживущей квантовой памяти». Тезисы совещаний APS . 2016 : 45 006 рандов. Бибкод : 2016APS..MARR45006P .

[1]

[2]

[3]

[4]