NV központ

Az NV-center ( angolul  nitrogén-vacancy center ) vagy a gyémánt nitrogén-szubsztituált üressége a gyémánt  számos ponthibája egyike : a gyémánt kristályrács szerkezetének megsértése, amely akkor következik be, amikor egy szénatomot eltávolítanak a rács helyéről , és a keletkező üresedés egy nitrogénatomhoz kötődik .

A hiba egyedisége abban rejlik, hogy tulajdonságai szinte hasonlóak az atomokéhoz , függetlenül attól, hogy „befagyott” a gyémánt kristályrácsban : az egyes centrumok elektronikus spinjeit könnyen manipulálják: fény ; mágneses , elektromos és mikrohullámú mezők ; - amely lehetővé teszi kvantuminformációk ( qubit ) rögzítését a központ magjának hátulján . Az ilyen manipuláció még szobahőmérsékleten is lehetséges; a központban hosszú (több milliszekundumot is elérő) tárolási ideje van az indukált spin polarizációnak . Jelenleg az NV-központ egy jövőbeli kvantumprocesszor alapvető logikai elemének tekinthető, amely szükséges a kvantumszámítógép , a kvantumbiztonsági protokollal rendelkező kommunikációs vonalak és a spintronika egyéb alkalmazásai létrehozásához [1] [2] .

Középső szerkezet

Az NV központ a gyémánt kristályrács hibája . Ez a hiba egy rácsürességet foglal magában egy kapcsolódó nitrogénatommal . A rács mérete 3,56 angström ; a szimmetriatengely az üresedést és a nitrogénatomot összekötő vonal mentén halad (az ábrán [111] vonalként ábrázolva).

Kutatási módszerek

Spektroszkópiai vizsgálatokból ismert, hogy ennek a hibának lehet töltése: negatív (NV − ) vagy semleges (NV 0 ). A kutatás során különféle módszereket alkalmaztak: optikai abszorpciót [3] [4] , fotolumineszcenciát (PL) , elektronparamágneses rezonanciát (EPR) [6] [7] és optikailag detektálható mágneses rezonanciát (ODMR) [8] , amely a PL és az EPR hibridjének tekinthető; Az EPR adja a legrészletesebb képet az interakcióról. A nitrogénatomnak öt vegyértékelektronja van : ezek közül három kovalens kötéssel kapcsolódik a közeli szénatomokhoz ; két - üresedési hellyel . Egy további elektron  - a központ az "oldalról" rögzíti (nyilván egy másik nitrogénatomból ); néha a központ elveszíti ezt az elektront, és semlegessé válik. [9]

A negatív töltésű középpontban (NV - ) - az elektron a vakancia mellett helyezkedik el, és az egyik vegyértékelektronjával S = 1 spinpárt alkot . Az NV 0 -hoz  hasonlóan az üresedés elektronjai szerepet cserélnek, megőrizve a teljes trigonális szimmetriát. Az NV állapotot általában NV központnak nevezik . Az elektron az idő nagy részében (90 %-ban ) az NV-központ üresedésének közelében található. [tíz]

Az NV központok általában véletlenszerűen vannak szétszórva a gyémánt testében  – de az ionbeültetés lehetővé teszi, hogy egy adott helyen központokat hozzon létre. [tizenegy]

NV-központi szintek energiaszerkezete

Az NV - központok energiaszerkezetét elméletileg és kísérletileg is tanulmányozták. A kísérletekben elsősorban a gerjesztés kombinált módszerét alkalmazták : az elektronparaméteres rezonancia és a lézersugárzás módszerét .

Hamiltoni

Az üresedésben lévő nitrogénizotóppal rendelkező központ spin Hamilton - félesége a következő : [13]

... megjegyzés, amelyhez az 1. táblázatban található.

Asztal 1
D és A finom és hiperfinom hasító tenzorok
K kvadrupólus maghasító tenzor
elektronikus és nukleáris tényezők
Bohr magnetonok
2. táblázat
D, MHz A, MHz Q, MHz
2870 −2,166 4.945
1420 40

Szintséma - az  ábrán látható. A centrum sajátállapotainak meghatározásához molekulának tekintjük ; a számításoknál az atompályák lineáris kombinációjának módszerét és a csoportelméletet alkalmazzuk , figyelembe véve a szimmetriákat: mind a gyémánt kristályszerkezetét , mind magát az NV-t. Az energiaszintek a csoport szimmetriája szerint vannak jelölve , azaz: , és . [tizennégy]

A "3" a ³A-ban és az "1" az 1 A-ban az m s -ra megengedett spinállapotok számát jelenti : a spin multiplicitás -S-től S - ig , összesen 2 S +1 lehetséges állapot esetén (ha S =1 - m s a következő értékeket veheti fel: −1, 0, 1). 1 A szint - az elmélet előrejelzi, és fontos szerepet játszik a fotolumineszcencia elnyomásában -, de ennek az állapotnak a közvetlen kísérleti megfigyelése még nem történt meg ...

Külső mágneses tér hiányában  az elektronállapotok ( föld és gerjesztett ) az NV -centrum két párosítatlan elektronja közötti mágneses kölcsönhatás hatására kettéválnak : párhuzamos elektron spineknél (m s =±1) energiájuk nagyobb, mint a antiparallel spinek esete (m s = 0).

Minél távolabb válnak egymástól az elektronok , annál gyengébb a D  kölcsönhatás (körülbelül D ~ 1/ r ³). [15] Más szavakkal, a gerjesztett állapot kisebb hasadása azt jelenti, hogy az elektronok  távolabb vannak egymástól . Ha NV − külső mágneses térben van  , akkor sem az m s =0, sem az 1 A állapotot nem befolyásolja (az S =0 miatt), hanem m s =±1 szintet hasít fel ; ha a mágneses tér a hiba tengelye mentén orientálódik és értéke eléri az 1027 gauss értéket (vagy 508 gauss ), akkor az m s = −1 és m s = 0 szintek alap (vagy gerjesztett) állapotban azonos energiájúak. Ugyanakkor erősen kölcsönhatásba lépnek az ún. spin polarizáció , ami nagyban befolyásolja az intenzitást: ezeknek a szinteknek az optikai abszorpcióját és lumineszcenciáját. [12]

Ennek megértéséhez szem előtt kell tartani, hogy az elektronállapotok közötti átmenetek a teljes spin megőrzésével történnek. Emiatt az ³E↔ 1 A és 1 A↔³A átmenetek nem sugárzóak és kioltják a lumineszcenciát, míg az m s = −1 ↔ 0 átmenet mező hiányában tilos, és akkor válik megengedettsé, ha a mágneses tér keveredik m s = −1 és m s =0 alapállapot-szintek. Az eredmény az, hogy a lumineszcencia intenzitása erősen modulálható mágneses térrel.

A ³E gerjesztett állapot ráadásul az orbita degenerációja és a spin-pálya kölcsönhatás miatt felhasad. Ez a felosztás külső, elektromos vagy mágneses statikus térrel modulálható. [16] [17]

A szintek és a szint közötti távolság a mikrohullámú tartományba esik (~2,88 GHz ). A középpont mikrohullámú térrel történő besugárzásával megváltoztatható az alapállapot részszintjeinek populációja, és ezáltal modulálható a lumineszcencia intenzitása. Ezt a technikát elektronparamágneses rezonancia módszernek nevezik .

Az átmeneti oszcillátor erőssége

Az A³ alapállapotból az E³ gerjesztett triplett állapotba való átmenet nagy oszcillátorerősséggel rendelkezik: 0,12 (összehasonlításképpen: az Rb 87 D1 vonala 0,6956), ami megkönnyíti az átmenet optikai módszerekkel történő észlelését. Bár a gerjesztett állapot finomszerkezete erősen függ a középpont környezetétől, ismert, hogy az m s =0 (³E) gerjesztett állapotból az m s =0 (³A) alapállapotba való átmenet megőrzi a gerjesztett állapot spinjét. m s =±1 ( ³E) m s =0 (³A) állapotból való átmenet nem sugárzó módon történik. Ez az átmenet két szakaszban történik: az 1 A szingulett állapoton keresztül.

Van egy további m s =±1 állapotfelosztás is, ami a nukleáris és az elektronikus spinek közötti hiperfinom kölcsönhatás eredménye. Ennek eredményeként az NV - központ abszorpciós és lumineszcencia spektruma körülbelül egy tucat keskeny vonalból áll, amelyeket több MHz-GHz választ el. E vonalak intenzitása és helyzete a következő módokon módosítható:

A mikrohullámú impulzus koherensen gerjeszti a középpont elektron spinjeit; az elektronikus spinek állapotát az optikai átmenetek fluoreszcenciája figyeli. A dinamikus hatások nagyon fontosak a kvantumszámítógépek létrehozásában .

Vékony optikai spektrum

Az NV-központ vékony optikai spektrumát több tényező határozza meg:

A 15 N és 12 C izotópok mag spinje ½, illetve 0.

A nulla fononvonal fluoreszcencia spektrumának szélessége

A nulla fononvonal fluoreszcencia spektrumának szélessége T < 10 K hőmérsékleten állandó és egyenlő 13 MHz-cel. A hőmérséklet emelkedésével a szélesség a törvény szerint növekszik :

hol és . Ezt a függést a spinállapotok gerjesztett állapotban való keveredése magyarázza . [24]


Gyártás

Még a nagy tisztaságú természetes és szintetikus (IIa típusú) gyémántok is kis koncentrációban tartalmaznak NV-centrumot. (A nagy tisztaságú szintetikus gyémánt kémiai gőzleválasztással (CVD) készül). Ha a központok koncentrációja nem elegendő, akkor a mintákat besugározzák és izzítják. A besugárzást nagy energiájú részecskékkel (10-80 keV) végezzük; ez lehet egy folyam: elektronok, protonok, neutronok és gamma részecskék. Az NV - középpontok 60 µm mélységig alakulnak ki. Érdekes, hogy az NV 0 többnyire 0,2 µm mélységig fordul elő. A szobahőmérsékleten kialakított üres helyek inaktívak, azonban a hőmérséklet emelkedésével (800 C fölé) jelentősen megnő a mobilitásuk. A rácsba ágyazott nitrogénatom befogja az egyik üresedést, és létrehozza az NV - t egy másik szomszédos ürességgel . [25] [26]

A gyémánt arról ismert, hogy a rácsában olyan belső feszültségek vannak, amelyek felosztják, eltolják és kiszélesítik az NV-központ szintjeit. A keskeny vonalak (~10 MHz) észleléséhez az átmenetnél speciális intézkedéseket kell tenni a kristály minősége tekintetében. [27] Ehhez nagy tisztaságú természetes gyémántot vagy szintetikusan előállított (IIa típusú) gyémántot használnak.

A központok tanulmányozására általában konfokális pásztázó mikroszkópot használnak , melynek felbontása szubmikron (~250 nm).

Jegyzetek

  1. ↑ PC Maurer, JR Maze, PL Stanwix, L. Jiang, AV Gorshkov, AA Zibrov, B. Harke, JS Hodges, AS Zibrov, A. Yacoby és mások. Távolmezős optikai képalkotás és egyedi spinek manipulálása nanoméretű felbontással  // Nature Physics  : Journal  . - P. 1-7 . doi : 10.1038 / nphys1774 .
  2. ↑ MV Gurudev Dutt, L. Childress, L. Jiang, E. Togan, J. Maze, F. Jelezko, AS Zibrov, PR Hemmer, MD Lukin. A gyémántban lévő egyedi elektronikus és nukleáris spin qubiteken alapuló kvantumregiszter. (angol)  // Tudomány: folyóirat. - 2007. - Vol. 1312-1316 . - P. 1-7 . - doi : 10.1126/tudomány.1139831 .
  3. ↑ Davies G., Hamer M.F.,. Optikai tanulmányok az 1,945 eV vibrációs sávról a gyémántban  // A Londoni Királyi Társaság közleménye  . A sorozat, Matematikai és fizikai tudományok (1934-1990)  : folyóirat. - 1976. - 1. évf. 348 . - 285. o . - doi : 10.1098/rspa.1976.0039 .
  4. ↑ Mita Yoshimi. Az abszorpciós spektrum változása Ib típusú gyémántban nehéz neutron besugárzással  (angol)  // Physical Review B  : Journal. - 1996. - 1. évf. 53 . — P. 11360 . - doi : 10.1103/PhysRevB.53.11360 .
  5. ↑ Loubser JHN, van Wyk JA  Elektronspin rezonancia a gyémánt tanulmányozásában  // Jelentések a fizika fejlődéséről : folyóirat. - 1978. - 1. évf. 41 . - 1201. o . - doi : 10.1088/0034-4885/41/8/002 .
  6. ↑ Redman D., Brown S., Sands R., Rand S. Spin dynamics and electronic states of NV center in gyémánt EPR és négyhullám-keverési spektroszkópia segítségével  // Physical Review Letters  : Journal  . - 1991. - 1. évf. 67 . — 3420. o . - doi : 10.1103/PhysRevLett.67.3420 .
  7. ↑ Gruber, A. Pásztázó konfokális optikai mikroszkópia és mágneses rezonancia egyetlen hibaközpontokon  //  Science : Journal. - 1997. - 1. évf. 276 . — P. 2012 . - doi : 10.1126/tudomány.276.5321.2012 .
  8. ↑ Felton S., Edmonds AM, Newton ME, Twitchen DJ Electron paramágneses rezonancia vizsgálatok a semleges nitrogén üresedéséről a gyémántban  // Physical Review B  : Journal  . - 2008. - Vol. 77 . — P. 081201 . - doi : 10.1103/PhysRevB.77.081201 .
  9. ↑ P. Neumann, R. Kolesov, B. Naydenov és társai. Szobahőmérsékletű szilárd anyag csatolt elektron spinjein alapuló kvantumregiszter  // Nature Physics  : Journal  . - 2010. - 20. évf. AOP . - P. 1-5 . - doi : 10.1038/NPHYS1536 .
  10. ↑ David D. Awschalom, Ryan Epstein és Ronald Hanson. A Spintronika gyémántkora  // Scientific American  . - Springer Nature , 2007. - október. — 90. o .
  11. ↑ 1 2 Fuchs GD, Dobrovitski VV, Hanson R., Batra A., Weis CD, Schenkel T., Awschalom DD,. Excited-State Spectroscopy Using Single Spin Manipulation in Diamond  (angol)  // Physical Review Letters, : folyóirat. - 2008. - Vol. 101 . — P. 117601 . - doi : 10.1103/PhysRevLett.101.117601 .
  12. ↑ M. Steiner, P. Neumann, J. Beck, F. Jelezko és J. Wrachtrup. Az egyelektronos spinek optikai leolvasási hűségének univerzális javítása nitrogén-üresedésnél gyémántban  //  Phys.Rev B : Journal. — Vol. 81 . — P. 035205 . - doi : 10.1103/Phys.RevB.81.035205 .
  13. ↑ A krisztallográfiai csoportok listája
  14. ↑ Loubser, JHN; Wyk, JA van (1978), Reports on Progress in Physics 41: 1201. doi: 10.1088/0034-4885/41/8/002.
  15. ↑ 1 2 Tamarat, Ph.; Gaebel, T.; Rabeau, J.; Khan, M.; Greentree, A.; Wilson, H.; Hollenberg, L.; Prawer, S. et al. Stark Shift Control of Single Optical Centers in Diamond  (angol nyelven)  // Physical Review Letters  : Journal. - (2006).. - Vol. 97 . — P. 083002 . - doi : 10.1103/PhysRevLett.97.083002 .
  16. ↑ 1 2 3 4 A gyémánt nitrogénüres központjának spin-flip és spin-konzerváló optikai átmenetei  // New  Journal of Physics  : folyóirat. - 2008. - Vol. 10 . — P. 045004 . - doi : 10.1088/1367-2630/10/4/045004 .
  17. ↑ C. Santori1, P. Tamarat, P. Neumann, J. Wrachtrup, D. Fattal, RG Beausoleil, J. Rabeau, P. Olivero, AD Greentree, S. Prawer, F. Jelezko és Philip Hemmer. Gyémánt egyszeri pörgetéseinek koherens populációcsapdája optikai gerjesztéssel   : folyóirat . - 2006. - Vol. 97 . — P. 247401 . - doi : 10.1103/PhysRevLett.97.247401 .
  18. ↑ Hanson R., Gywat O., Awschalom D.D.,. Szobahőmérséklet-manipuláció és egyetlen centrifugálás dekoherenciája gyémántban  (angol)  // Physical Review B  : Journal. - 2006. - Vol. 74 . — P. 161203 . - doi : 10.1103/PhysRevB.74.161203 .
  19. ↑ Dutt MVG, Childress L., Jiang L., Togan E., Maze J., Jelezko F., Zibrov AS, Hemmer PR, Lukin MD Quantum Register Based on Individual Electronic and Nuclear Spin Qubits in   Diamond // - 2007. - Vol. 316 . - 1312. o . - doi : 10.1126/tudomány.1139831 .
  20. ↑ Childress L., Gurudev Dutt MV, Taylor JM, Zibrov AS, Jelezko F., Wrachtrup J., Hemmer PR, Lukin MD Coherent Dynamics of Coupled Electron and Nuclear Spin Qubits in Diamond  //  Science : Journal. - 2006. - Vol. 314 . - 281. o . - doi : 10.1126/tudomány.1131871 .
  21. ↑ Batalov A., Zierl C., Gaebel T., Neumann P., Chan I.-Y., Balasubramanian G. Hemmer PR, Jelezko F., Wrachtrup J.,. Egyetlen nitrogén-üresedési hibaközpontok által kibocsátott fotonok időbeli koherenciája gyémántban optikai rabi-oszcillációkat használva  // Physical Review Letters  : folyóirat  . - 2008. - Vol. 100 . — P. 077401 . - doi : 10.1103/PhysRevLett.100.077401 .
  22. ↑ Jelezko F., Gaebel T., Popa I., Gruber A., ​​​​Wrachtrup J.,. Koherens oszcillációk megfigyelése egyetlen elektron spinben  // Physical Review Letters  : folyóirat  . - 2004. - 20. évf. 92 . — P. 076401 . - doi : 10.1103/PhysRevLett.92.076401 .
  23. ↑ Kai-Mei C. Fu, Charles Santori, Paul E Barclay, Lachlan J. Rogers, Neil B. Manson és Raymond G. Beausoleil, Phys.Rev.Lett. 103 , 256404 (2009)
  24. ↑ Lang AR, Moore M., Makepeace APW, Wierzchowski. Az Ib típusú szintetikus gyémánt helyettesítő nitrogénszennyeződéssel történő kitágításáról  (angol)  // Philosophical Transactions of the Royal Society: Physical and Engineering Sciences (1990-1995): folyóirat. - 1991. - 1. évf. 337 . - 497. o . doi : 10.1098 / rsta.1991.0135 .
  25. ↑ K. Iakoubovskii és Guy J. Adriaenssens. A megüresedett állások csapdája a gyémánt hibái miatt  //  Journal of Physics: Condensed Matter : folyóirat. - 2001. - Vol. 13 . — 6015. o . - doi : 10.1088/0953-8984/13/26/316 .
  26. ↑ Tamarat, Ph.; Gaebel, T.; Rabeau, J.; Khan, M.; Greentree, A.; Wilson, H.; Hollenberg, L.; Prawer, S.; Hemmer, P. Stark Single Optical Centers in Diamond Shift Control of Single Optical Centers in Diamond  (angol nyelven)  // Physical Review Letters  : Journal. - 2006. - Vol. 97 . — P. 083002 . - doi : 10.1103/PhysRevLett.97.083002 .