金刚石NV色心中性能研究检测方案(低温恒温器)

Quantum DesignCHINA 高性能低温恒温器在金刚石 NV色心相关研究领域的应用 背景 金刚石 NV色心 (Nitrogen-vacancy defect centers)近年来在科研界被高度关注。NV色心独特且稳定的光学特性使其拥有广泛的应用前景。在量子信息领域， NV色心可以作为单光子源用于量子计算。NV 色心作为具有量子敏感度的传感设备，还可应用于纳米尺度磁场、电场、温度、压力的探测。在生物学领域，，1NV 色心是完美的生物标识物，具有光学性能稳定，细胞毒性低的特点。 NV 色心的研究热潮是在1997年由第一次针对 NV缺陷的电子顺磁共振实验所点燃。具有旋光性的 NV 色心是一个带有6个电子的负电荷态。两个电子由氮原子提供，三个来自空位周围悬浮的碳键，还有一个来自金刚石的晶格。NV色心的发光特性与其自旋态具有很强的耦合，因此可以作为一个量子传感器。 Montana Instruments 开发的低温恒温器专门针对 NV 色心领域研究需要而进行优化，扫除了科研人员进入 NV 色心研究领域的障碍。下面我们来介绍 NV 色心实验研究面临的常见挑战以及 Montana Instruments 是如何解决这些问题的。 实验注意事项 相关研究中常见的挑战 金刚石NV 中心在室温下的相干时间较短，如果不使用复杂的光谱技术，就很难读出特定的自旋态。 自旋态的相干演化时间与脉冲探测技术的灵敏度成正比。因此，低温实验的灵敏度要比室温实验灵敏度高很多，这对低温提出了较高要求。 温度波动会改变NV 中心的响应， 引起实验结果的失真。 材料中有趣的现象常在低温下发生，典型的例子有高温超导体铁磁材料中的磁转变和磁有序结构例如 vortices， 以及磁涡旋材料中的 skyrmion 等，给NV 色心的探测应用带来挑战。 高分辨的扫描探针实验对于超低震动和低温都有苛刻的要求。纳米金刚石粉撒在样 品表面对材料特性进行辅助探测成像的实验对于震动的要求也是非常高。 NV 色心相关实验的关键因素 超稳定的样品环境能够让实验者精确控制各种实验变量，确保实验的准确度。多功能且配置可以灵活更改的样品环境可以为实验提供极大的灵活性。这些对于实验的复杂性和需求经常变化的前沿研究是非常重要的。 焦点 重要性 Cryostation@的与众不同 低温(<4K) 低温可最大限度提高NV中心特定自旋 状态的读出灵敏度。 Cryostation⑧恒温器可以实现室 温到低温(<4K)的无缝衔接。 温度稳定性 对 NV 色信信号的稳定探测需要温度的高度稳定。 在设定的温度点，温度稳定性优于10mK 低震动 低震动的稳定实验环境对于降低微区测 量时的噪音以及提高 NV色心的分辨率非常重要。 CryostationQ(<5nm，可定制<1nm系统)， 轻松实现 NV色心 探测器纳米级分辨率的扫描成 像研究。 极小的样品热漂移，300K-4K温 度范围可以轻松追踪观测单个NV色心。 样品与光学引入 样品必须可以进行光学探测。单NV色心实验中要求使用高数值孔径的物镜来 提高对色心荧光的收集效率。另外，像 CCD 阵列成像这样较长工作距离、较大 视野范围的实验装置就要求恒温器的窗 有较大的张角。 恒温器在光学引入方面具有无 与伦比的性能，更有近工作距离 (1mm-2mm)、高数值孔径(NA~0.9)的标准选件。极大地 提高实验的灵敏度和分辨率。 XYZ三维位移 对于需要微区扫描成像，或将带有 NV 色心的探针悬臂定位在显微镜焦点下，我们需要选择三维位移器来进行精准定位。 可集成纳米位移精度的开环和 闭环位移器。可实现大面积的样品扫描成像。 时间持续性 小信号的长时间收集需要实验环境的长时间稳定以减少噪音、提高信噪比。 全干式系统无需灌液氦，实验可 持续数天或数星期而不受任何 影响。 相关技术与配置 针对NV色心相关实验，我们除了主机系统以外还有成熟齐全的选件库，-，可以满足各种实验需求。针对个性化的实验，我们还接受定制服务，如有需求请联系我们。 低温(4K)NV色心研究的实验方案举例 ● 总体 NV 色心信号收集实验 将磁性样品覆盖在表面具有较多的 NV 色心的块体金刚石衬底上。这个 NV色心表面层通常由离子注入或在金刚石表面合成富氮表面层来实现。通常采用 532nm 的激光激发 NV色心到激发态，并在630-800nm 波长范围收集荧光信号。同时利用微波信号激发和探测 NV色心的自旋态 (ESR)。荧光信号由二维的 CCD 探测阵列收集成像并与样品相对应。与单个NV 色心的研究不同，该实验方案采用大工作距离获得大视野范围的成像，从而实现大面积信号的采集。 CCD与显微镜成像 单个 NV 色心研究：样品表面的纳米金刚石 纳米金刚石的单个 NV 色心探测可以通过共聚焦显微技术来实现。实验装置包括三维低温纳米位移台，Z方向可以精准调整样品到焦平面， XY可以对样品表面进行扫描。MontanaInstruments 专利设计方案可以采用高数值孔径物镜对4K的样品中的单个 NV 色心进行测量。系统的收集效率高、光斑直径小，轻松聚焦单个 NV色心。采用532nm 激光激发，对630nm-800nm 范围的荧光信号进行采集。采用可调的微波信号对 NV色心的自旋态进行激发，通过荧光信号的峰值位移来确定其自旋态。为了研究感兴趣的区域，通常将金刚石石末(20-30nm)均匀的撒在样品表面，然后使用三维纳米位移台来扫描样品并且对特定 NV色心进行测量。并且可以通过单个NV 色心实现在较大温度范围内对样品的性质进行观测。 Tokura 课题组成功的运用此技术研究了 FeGe 样品中的磁涡旋结构。实验细节请参考 Using NV-Center Optically Detected Magnetic Resonance (ODMR) as a Probe for LocalMagnetic Dynamics in Transition Metals )esiCgnhina ● 扫描探针量子探测器(例如，扫描磁力显微镜) 我们将一个 NV 色心固定在扫描探针显微镜的探针末端。可以通过在针尖上“粘贴"纳米金刚石，或采用纳米压印与02刻蚀技术将块体金刚石加工成尖端再用N-14注入来实现NV色心，现在甚至已经有商业化的针尖。采用共聚焦显微镜将激发光聚焦在扫描探针的NV色心上。样品可以通过低温纳米位移台进行精确扫描。这样便实现了对样品表面的纳米级精度大范围成像测量。该技术理论上可以对多种与 NV 色心荧光相关的特性进行高精度显微学测量. Excitation Laser (532 nm) 扫描探针显微镜 Jayich 课题组 (UCSB)运用这一技术在 BaFe2(ASo.7Po.3)2超导材料的转变温度附近 (30K)成功观测到了 vortices。这一技术在研究材料低温下的新奇性质方面前景广阔。更多细节请●参考 Scanned probe imaging of nanoscale magnetism at cryogenic temperatures with asingle-spin quantum sensor REFERENCES 1. Shields， B. J.，Unterreithmeier， Q. P.， de Leon， N. P.， Park， H. & Lukin， M. D. Efficientreadout of a single spin state in diamond via spin-to-charge conversion. Physical ReviewLetters 114，(2015) 2. Dussaux， A. et al. Local dynamics of topological magnetic defects in the itineranthelimagnet FeGe. Nature Communications 7， 12430 (2016). 3. Hong， S. et al. Nanoscale magnetometry with NV centers in diamond. MRS Bulletin38， 155-161(2013). 4. Pelliccione， M. et al. Scanned probe imaging of nanoscale magnetism at cryogenictemperatures with a single-spin quantum sensor. arXiv：1510.02780 [cond-mat] (2015) 相关产品： 超精细多功能无液氦低温光学恒温器：https：//qd-china.com/zh/pro/detail/3/1912091051098 antum DesigCnhina 金刚石NV色心（Nitrogen-vacancy defect centers） 近年来在科研界被高度关注。NV色心独特且稳定的光学特性使其拥有广泛的应用前景。在量子信息领域，NV色心可以作为单光子源用于量子计算。NV色心作为具有量子敏感度的传感设备，还可应用于纳米尺度磁场、电场、温度、压力的探测。在生物学领域，NV色心是完美的生物标识物，具有光学性能稳定，细胞毒性低的特点。Montana Instruments开发的低温恒温器专门针对NV色心领域研究需要而进行优化，扫除了科研人员进入NV色心研究领域的障碍。以下是低温(4K)NV色心研究的实验方案举例。1. 总体NV色心信号收集实验将磁性样品覆盖在表面具有较多的NV色心的块体金刚石衬底上。这个NV色心表面层通常由离子注入或在金刚石表面合成富氮表面层来实现。通常采用532nm的激光激发NV色心到激发态，并在630-800nm波长范围收集荧光信号。同时利用微波信号激发和探测NV色心的自旋态（ESR）。荧光信号由二维的CCD探测阵列收集成像并与样品相对应。与单个NV色心的研究不同，该实验方案采用大工作距离获得大视野范围的成像，从而实现大面积信号的采集。CCD与显微镜成像 2. 单个NV色心研究：样品表面的纳米金刚石纳米金刚石的单个NV色心探测可以通过共聚焦显微技术来实现。实验装置包括三维低温纳米位移台，Z方向可以精准调整样品到焦平面，XY可以对样品表面进行扫描。Montana Instruments专利设计方案可以采用高数值孔径物镜对4K的样品中的单个NV色心进行测量。系统的收集效率高、光斑直径小，轻松聚焦单个NV色心。采用532nm激光激发，对630nm-800nm范围的荧光信号进行采集。采用可调的微波信号对NV色心的自旋态进行激发，通过荧光信号的峰值位移来确定其自旋态。为了研究感兴趣的区域，通常将金刚石粉末（20-30nm）均匀的撒在样品表面，然后使用三维纳米位移台来扫描样品并且对特定NV色心进行测量。并且可以通过单个NV色心实现在较大温度范围内对样品的性质进行观测。扫描共聚焦显微镜Tokura课题组成功的运用此技术研究了FeGe样品中的磁涡旋结构。实验细节请参考：Using NV-Center Optically Detected Magnetic Resonance (ODMR) as a Probe for Local Magnetic Dynamics in Transition Metals 3. 扫描探针量子探测器(例如，扫描磁力显微镜)我们将一个NV色心固定在扫描探针显微镜的探针末端。可以通过在针尖上“粘贴”纳米金刚石，或采用纳米压印与O2刻蚀技术将块体金刚石加工成尖端再用N-14注入来实现NV色心，现在甚至已经有商业化的针尖。采用共聚焦显微镜将激发光聚焦在扫描探针的NV色心上。样品可以通过低温纳米位移台进行精确扫描。这样便实现了对样品表面的纳米级精度大范围成像测量。该技术理论上可以对多种与NV色心荧光相关的特性进行高精度显微学测量。扫描探针显微镜 Jayich课题组 (UCSB)运用这一技术在BaFe2(As0.7P0.3)2 超导材料的转变温度附近（30K）成功观测到了vortices。这一技术在研究材料低温下的新奇性质方面前景广阔。更多细节请参考：Scanned probe imaging of nanoscale magnetism at cryogenic temperatures with a single-spin quantum sensor.