钻石中存在颜色缺陷的量子传感

钻石中存在颜色缺陷的量子传感

摘要

在过去的几十年里，人们对量子技术的兴趣与日俱增。量子过程以前所未有的精度和空间分辨率实现了电场、磁场、温度等的测量。带负电荷的金刚石中的氮空位中心（NV–中心）是这种量子传感器系统的一个新兴例子。在这篇文章中，我将讨论使用“NV-中心”进行传感的发展和用途，用于生物学、研究量子材料，以及在大学实验室使用这些室温可操作系统开发量子技术教学平台。

介绍

一颗纯净的钻石晶体会显得无色透明。替代原子纯度的存在赋予了钻石颜色。天然钻石和实验室培育的钻石都可能含有各种各样的这种替代原子杂质。常见的杂质有硼、氮、磷和氢。硅、锗、锡和铅等原子也可以在标签环境中人工植入金刚石晶体。在所有这些杂质中，常见的杂质是氮。氮的存在使钻石呈现出黄红色。在某些情况下，氮原子取代碳原子，导致相邻的碳晶格点保持空位。这种缺陷被称为氮空位中心或NV中心。

NV中心在绿光激发时发出红色荧光。NV中心的两种电荷状态是已知的：中性NV0状态和带负电荷的NV-状态。NV中心持有一对电子。这对电子形成自旋1系统。自旋态受到外部磁场（通过塞曼效应）、电场和温度的影响。NV–中心重要的特性是，在环境条件下，可以通过其荧光以光学方式读取其自旋状态，通常称为光学检测磁共振或ODMR。由于读出的全光学性质，可以使用标准的宽场、共聚焦甚至超分辨率显微镜来实现磁场的检测，从而提供高的空间分辨率和选择性。

在仅1秒的采集时间内，NV–中心可以检测到皮特斯拉量级的磁场，这比地球磁场小一百万倍。此外，NV中心经常用于在微米和纳米尺度上对静态磁场进行成像。正如我们将在以下章节中看到的那样，如此高精度的磁场在物理科学、材料科学和生物科学中有着广泛的应用。

量子材料

在过去的几十年里，量子霍尔效应、高温超导性、石墨烯和其他二维材料的发现彻底改变了我们对材料的思考方式，并为定义一类新的材料——量子材料铺平了道路。量子材料的特征是存在宏观量子关联。在传统材料中，材料在特定位置的量子态不受远离它的位置（由几个原子分隔）的量子态的影响。然而，通常在量子材料中，特定位置的量子态会受到更远位置的量子状态的影响。成功理解量子材料、实验验证理论模型、发现新的量子材料以及探索其工程和技术实用性需要具有高空间分辨率的高灵敏度探针。NV–中心已被广泛用于探测量子材料的物理性质。例如，扫描NV–探测器已被用于探测磁性skyrmions的拓扑性质。skyrmion是薄膜铁磁体中的一种涡旋状自旋结构。Skyrmions有几个潜在的应用，如逻辑器件、存储器、纳米振荡器和微波探测器。在强相关量子系统尺度的奇异金属中，电荷流剖面类似于管道中的水流（称为流体动力学状态）。当流体流过管道时，边缘附近的水的速度比中心的水的速率慢。Sucha流与传统导线中的电子流相反，传统导线中电子的速度在导线的横截面上是均匀的。Ku等人使用基于NV的宽场磁显微镜探测了石墨烯中电子流产生的磁场。通过反转磁场以获得电流密度，可以首次验证奇异材料中的电子流确实是流体动力学的。另一类强相关系统是高临界温度超导，其转变温度TC>7K，即液氮的沸点。这使它们处于比需要液氦（沸点4K）的传统超导体更有利的位置。高Tc超导体的另一个优点是，它们的临界磁场（即超导状态消失的磁场大小）高于传统的金属超导体，这使得它们对制造高磁场产生线圈很有吸引力。金刚石NV–中心的磁场传感特性已被广泛用于研究纳米和微米尺度上超导电材料的静态和动态特性。莫特绝缘体是由强电子关联引起的另一类量子材料。莫特绝缘体是根据传统的能带理论应该是导体的绝缘体，但在一定的临界温度以上是绝缘体。从金属态到绝缘态的量子相变是由强烈的电子-电子排斥驱动的。莫特绝缘体在光伏、逻辑、记忆和神经形态设备中有应用。NV–中心对温度和磁场敏感，已被用于探测二氧化钒（VO2）的各种性质和相变。

高速磁成像

本着探测、成像和模拟此类物理现象的动机，我们团队建立了印度NV中心量子传感实验室，开发磁强计和动态磁场显微镜。典型显微镜的腹水如图1所示。NV中心是基态自旋三重态，在|0>和|±1>跃迁之间具有2.87GHz的零场分裂。在外磁场存在的情况下，由于塞曼效应，|±1>跃迁之间的简并性被破坏。此外，基态和激发态之间跃迁的能隙在光域中，并且取决于NV在基态中的自旋态。由于从激发态的转变，钻石中NV中心发出的所有红色荧光中，只有大约1%的光携带有关磁场的信息。当用CMOS相机对磁场进行成像时，这种光会在相机的数千个像素中进一步分割。落在每个像素上的少量光通常隐藏在噪声中，并且非常难检测。需要几分钟的平均来从噪声中提取磁信号。如此长时间的采集使我们无法捕捉到以非常快的时间尺度发生的磁事件，比如几毫秒。从噪声环境中提取小信号的一种众所周知的技术是锁定检测方法。不具有固定的静态信号，而是使信号以特定频率振荡。在其他环境中，振荡信号因其固定的相位和频率而引人注目，并且可以很容易地解码。同样的技术可以应用于检测相机中的小信号。这样做的挑战在于，我们须解码来自数千个像素的信号。heliot is AG（heliCam）制造的相机配有内置的大规模并行锁定信号解码硬件。我们使用这样的相机以高达50 Hz的帧速率从1µm×1µm的微小区域提取磁信息。能够以如此高的速率解码磁信号，使我们能够对与生物和物理科学相关的样本中变化的磁场进行视频速率显微镜成像。例如，在高频下激发材料可以揭示有趣的时间动力学。当外部磁场施加到具有磁畴的铁磁体上时，磁矩与外部磁场对齐的磁畴的大小会增加。然而，磁畴的生长速率受到磁粘性力的限制。因此，施加非常快的激励将使铁磁体没有反应。NV中心的高速成像使我们能够在微米级上看到铁磁体的动力学。我们近期展示了5µm尺寸的坡莫合金微磁体的成像。

图1：基于磁强计（光电二极管采集）或显微镜设置（CCD/CMOS相机采集）的典型金刚石氮空位缺陷中心示意图。

基于NV中心的本科生实验室磁强计

磁共振波谱是一种强大而通用的技术，因此磁共振实验是本科生物理实验室的一个经常和有价值的补充。通过使用光学检测磁共振（ODMR）方法，该方法使用与NV跃迁共振的微波（MW）场，并在激发光的情况下检测荧光的变化，不仅可以确定这些参数，即温度、磁场和电场，而且学生可以从头开始清楚地了解设置，从而很好地介绍该领域的中心思想。

最近，主要是改进NV磁强计实验的各个方面，例如，开发具有集成微波天线、滤光器和光电二极管的片上微波激励和CMOS集成传感器。为了达到高灵敏度，须使用复杂而昂贵的设备，如高功率激光源、高增益MW放大器和锁定放大器（LIA）。这些设备通常体积庞大且昂贵，不符合小型台式物理实验室的需求。我们探索了一种新的协议来执行ODM，如在NV–中心上进行快速傅立叶变换。这是一种用于分析荧光数据的简单而有效的技术，允许通过信号处理改进自旋检测。这种技术允许在正常实验中省略一些关键设备，如体积庞大且昂贵的LIA和其他组件，如功率放大器和MW开关，而不会显著牺牲灵敏度。

当测量持续时间为1s时，通过在室温下应用FFT方法测量的最小可检测磁场为-126nT。由于使用NV中心进行的每一次ODMR测量都需要一些所有技术通用的组件，即光学组件、微波源和探测器，因此使用其他公认的技术进行相同的ODMR实验，结果如图所示。应用所提出的FFT方法，几乎消除了实验的检测单元，仅进行后数字化的软件处理。由于该设置非常简化，而且实验运行时间短，预算友好，因此可以在教学实验室中使用它来开发量子人力。

图2：通过不同技术获得的光学检测磁共振（ODMR）图（a）FFT技术（b）将商用硬件锁定放大器用于数据分析的技术。（c）CW-ODMR技术（d）软件锁定技术。

总结

能够在室温和环境大气条件下进行实验，扩大了NV中心在生物应用和大学教学实验室中的使用范围。大学实验室受益于NV中心不需要昂贵的低温系统或真空室的事实。许多生物系统不能在室温和环境大气压以外的条件下生存。NV中心的纳米和微米级传感能力使我们能够探索丰富多样的量子材料的物理和技术应用。作为一个量子系统，量子计算、量子信息科学和量子通信等更广泛的应用也在桌面上，NV中心位于钻石中。