高性能低温恒温器在金刚石NV色心研究中的应用

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.