金刚石中NV色心的温度特性研究

摘要

科技的进步使得人们的研究对象向微纳尺度发展，从而需要用量子力学来描述相关物理过程。经典的测量技术很难满足微纳尺度下的测量要求，因而推动了人们对量子测量的研究。量子测量主要利用量子力学中的量子相干或者量子统计以及量子动力学演化过程实现相关物理量的测量。选择何种量子系统作为载体成为了人们研究的重点。金刚石中的氮-空位(Nitrogen-Vacancy，NV)色心成为了固态体系中最好的候选者之一。
　　金刚石中的NV色心具有化学惰性，在宽的温度、磁场范围以及高激光激发功率下都能保持良好的性能，而且其荧光具有良好的稳定性，在室温下具有很长的自旋相干时间。NV色心的能级能够通过微波或激光进行调控。NV色心尺寸能够做到纳米量级而且具有生物无毒性，这使得其在生物测量方面具有良好的应用前景。因而NV色心成为了量子测量研究中的优秀候选者。并且在量子通讯、量子传感、量子模拟、量子计算等多个方面具有很好地应用前景。
　　我们进行了一系列的实验研究来了解基于NV色心实现磁场、温度场测量的机制和效果:
　　1.我们对通用的测量二阶关联函数的方法进行了修正测量。首先我们利用PMMA掩膜和离子束注入制备了NV色心样品，使得样品中含有便于寻找的系综NV色心标记以及在其附近的单个NV色心。利用搭建的共聚焦扫描光路来实现单个NV色心的寻址和探测。为了测量NV色心的单光子性能，我们测量了其二阶关联函数。通用的测量二阶关联函数的方法虽然简单方便，但是由于原理性的原因导致其测量的结果与理论上的二阶关联函数存在一定误差，这会影响我们对NV色心动力学演化过程的测量。为此我们提出了修正公式对通用测量方法的结果进行一定的修正，从而获得更精确的二阶关联函数。
　　2.研究了磁场对于单个NV色心的影响，从而可以利用单个NV色心实现磁场测量。通常利用光探测磁共振技术或者冉塞条纹技术来实现对静磁场的测量，而对于交变磁场则是利用自旋回声技术来进行测量。我们主要研究的是光探测磁共振技术测量静磁场，通过对测量方法的优化可以获得较高的灵敏度。
　　3.我们提出修改后的Varshni公式来描述NV色心的能级温度依赖特性，因而可以利用NV色心实现温度场的测量。由于目前的研究有许多是基于NV色心具有的高空问分辨率以及单光子源特性，所以我们测量了单个NV色心能级劈裂的温度依赖特性。由于金刚石材料相比半导体材料有许多特殊性质，所以导致通用的Varshni经验公式不能很好的拟合NV色心的能级随温度的变化特性。我们提出的修改后的Varshni经验公式能够在0-700K的温度范围内很好的拟合实验结果。并且对NV色心的零声子线以及金刚石中的其它缺陷结构中的能级随温度的变化趋势都能通过修改后的Varshni经验公式进行很好的拟合。这为以后研究NV色心的温度测量以及其它金刚石缺陷结构提供了很好的参考价值。
　　4.我们利用NV色心测量了表面等离子体激元的温度特性。我们测量了NV色心与金膜在不同的距离下的荧光寿命，发现随着距离的减小，NV色心的荧光寿命呈现指数型的减小。NV色心相互之间的耦合距离只有纳米量级，远远小于表面等离子体激元的横向传播距离。所以通过将NV色心与表面等离子体激元的耦合，可能实现远距离的NV色心之间的耦合。NV色心的荧光寿命在低温下几乎不随温度变化，当NV色心与表面等离子体激元耦合时，由于金的介电常数明显依赖于温度，所以导致NV色心感受到的局域态密度也会随温度变化。我们测量了低温下的与表面等离子体激元耦合的NV色心的荧光寿命，发现了明显的温度依赖特性。
　　通过上面的实验研究，我们对NV色心的一些基本性质都有了较深的了解。并且对于利用NV色心实现磁场和温度场的测量也有了一定的认知。

目录

声明

摘要

插图索引

第一章 绪论

1．1 测量学发展

1．1．1 测量学简介

1．1．2 基本单位定义

1．2 量子精密测量

1．2．1 超分辨成像

1．2．2 磁场温度测量

1．3 本章小结

第二章 NV色心简介

2．1 背景介绍

2．1．1 金刚石简介

2．1．2 金刚石中的发光缺陷

2．2 NV色心性质简介

2．3 NV色心制备

2．4 粉末NV色心

2．5 NV色心自旋操控和测量

2．5．1 光探测磁共振

2．5．2 NV色心自旋相干时间

2．6 本章小结

3．1 单光子源简介

3．2 单个NV色心

3．3 本章小结

第四章 NV色心磁场测量

4．1 ODMR测量静磁场

4．2 冉塞条纹测量静磁场

4．3 自旋回声测交变磁场

4．4 提高灵敏度方法

4．4．1 自旋相干时间

4．4．2 探测效率

4．4．3 系综NV色心

4．4．4 亚稳态

4．4．5 动力学极化单个核自旋

4．5 基于NV色心的磁力计应用

4．5．1 铁磁结构的自旋纹理成像

4．5．2 少量的自旋系统

4．5．3 生物磁场探测

4．6 本章小结

第五章 NV色心温度测量

5．1 温度测量方式

5．1．1 接触式测量

5．1．2 半接触式测量

5．1．3 非接触式测量

5．2 低温腔使用

5．3 ODMR温度依赖性

5．4 本章小结

第六章 SPP耦合NV色心荧光寿命

6．1 荧光寿命

6．1．1 荧光寿命定义

6．1．2 影响荧光寿命的因素

6．1．3 荧光寿命测量应用

6．2 NV色心荧光寿命测量

6．3 NV色心-SPP

6．3．1 SPP影响NV色心寿命

6．3．2 共振激发测NV色心深度

6．3．3 荧光寿命的温度特性

6．4 本章小结

第七章 总结与展望

参考文献

致谢

在读期间发表的学术论文与取得的研究成果