NV keskusta

NV-keskus ( englanniksi  nitrogen-vacancy center ) tai typellä substituoitu tyhjiö timantissa  on yksi timantin lukuisista pistevirheistä: timanttikidehilan rakenteen rikkomus, joka ilmenee, kun hiiliatomi poistetaan hilapaikasta ja tuloksena oleva tyhjiö on sidottu typpiatomiin .

Vian ainutlaatuisuus piilee siinä tosiasiassa, että sen ominaisuudet ovat lähes samanlaiset kuin atomilla , olipa se "jäätynyt" timanttikidehilassa : yksittäisen keskuksen elektronisia spinejä on helppo manipuloida: valolla ; magneetti - , sähkö - ja mikroaaltouunikentät ; - jonka avulla voit tallentaa kvanttitietoja ( kubitit ) keskuksen ytimen takaosaan . Tällainen käsittely on mahdollista jopa huoneenlämpötilassa; keskellä on pitkä (jopa useisiin millisekunteihin) indusoidun spinin varastointiaika polarisaatio . Tällä hetkellä NV-keskusta voidaan pitää tulevaisuuden kvanttiprosessorin loogisena peruselementtinä , jota tarvitaan kvanttitietokoneen , kvanttiturvaprotokollalla varustettujen tietoliikennelinjojen ja muiden spintroniikan sovellusten luomiseen [1] [2] .

Keskirakenne

NV - keskus on vika timanttikidehilassa . Tämä vika sisältää hilan tyhjiön ja siihen liittyvän typpiatomin . Ritilän koko on 3,56 angströmiä ; symmetria-akseli kulkee vapaan paikan ja typpiatomin yhdistävää linjaa pitkin (kuvassa viivana [111]).

Tutkimusmenetelmät

Spekroskooppisista tutkimuksista tiedetään, että tällä vialla voi olla varaus: negatiivinen (NV − ) tai neutraali (NV 0 ). Tutkimuksessa käytettiin erilaisia ​​menetelmiä: optinen absorptio [3] [4] , fotoluminesenssi (PL) , elektroniparamagneettinen resonanssi (EPR) [6] [7] ja optisesti havaittava magneettiresonanssi (ODMR) [8] , jotka voidaan pitää PL:n ja EPR:n hybridinä; EPR antaa tarkimman kuvan vuorovaikutuksesta. Typpiatomissa on viisi valenssielektronia : kolme niistä on sitoutunut kovalenttisesti lähellä oleviin hiiliatomeihin ; kaksi - vapaana . Ylimääräinen elektroni  - keskus vangitsee "sivulta" (ilmeisesti toisesta typpiatomista ); joskus keskus menettää tämän elektronin ja muuttuu neutraaliksi. [9]

Negatiivisesti varautuneessa keskustassa (NV - ) - elektroni sijaitsee vakanssin vieressä muodostaen spinparin S = 1 yhden valenssielektroninsa kanssa . Kuten NV 0 :ssa  , vapaan paikan elektronit vaihtavat rooleja säilyttäen täydellisen trigonaalisymmetrian. NV - tilaa kutsutaan yleisesti NV-keskukseksi . Elektroni sijaitsee suurimman osan ajasta (90 % ) lähellä NV-keskuksen vapaata tilaa. [kymmenen]

NV-keskukset ovat yleensä satunnaisesti hajallaan timantin rungossa  - mutta ioni-istutuksella voit luoda keskuksia tiettyyn paikkaan. [yksitoista]

NV-keskustasojen energiarakenne

NV -keskusten energiarakennetta tutkittiin teoreettisesti ja kokeellisesti . Kokeissa käytettiin pääasiassa yhdistettyä herätemenetelmää : elektroniparametrisen resonanssin ja lasersäteilyn menetelmää .

Hamiltonin

Typpi - isotoopin vapaana olevan keskuksen spin Hamiltonin muoto on: [13]

... huomautus, joka on annettu taulukossa 1.

pöytä 1
D ja A hienoja hyperhienoja jakavia tensoreita _
K kvadrupoli ydinjakotensori _
elektroniset ja ydintekijät _
Bohrin magnetonit
taulukko 2
D, MHz A, MHz Q, MHz
2870 −2.166 4,945
1420 40

Tasokaavio  - näkyy kuvassa . Keskuksen ominaistilojen määrittämiseksi sitä pidetään molekyylinä ; laskelmissa käytetään atomiorbitaalien lineaarisen yhdistelmän menetelmää ja ryhmäteoriaa ottaen huomioon symmetriat: sekä timanttikiderakenteen että itse NV:n. Energiatasot on merkitty ryhmän symmetrian mukaan , eli: , ja . [neljätoista]

Numerot "3" ³A:ssa ja "1" 1 A:ssa edustavat sallittujen spin - tilojen määrää m s :lle: spin - monikertaisuus vaihtelee -S :stä S :hen yhteensä 2 S +1 mahdollista tilaa (jos S =1 - m s voi saada arvot: −1, 0, 1). Taso 1 A - teorian ennustama, ja sillä on tärkeä rooli fotoluminesenssin tukahduttamisessa - mutta tämän tilan suoraa kokeellista havainnointia ei ole vielä tehty ...

Ulkoisen magneettikentän puuttuessa elektroniset  tilat ( maa- ja viritystilat ) jakautuvat kahden NV -keskuksen parittoman elektronin välisen magneettisen vuorovaikutuksen vaikutuksesta : rinnakkaisilla elektronispineillä (m s =±1) niiden energia on suurempi kuin elektronissa . antirinnakkaiskierrosten tapaus ( m s = 0).

Mitä kauempana elektronit ovat erossa  , sitä heikompi on vuorovaikutus D (noin, D ~ 1/ r ³). [15] Toisin sanoen virittyneen tilan pienempi halkeama tarkoittaa, että elektronit  ovat kauempana toisistaan . Kun NV − on ulkoisessa magneettikentässä  , se ei vaikuta m s =0 tilaan eikä 1 A tilaan (johtuen siitä, että S =0), mutta se jakaa m s =±1 tasoa ; jos magneettikenttä on suunnattu vian akselia pitkin ja sen arvo saavuttaa 1027 gaussia (tai 508 gaussia ), niin tasoilla m s = −1 ja m s = 0 perustilassa (tai viritetyssä tilassa) on sama energia. Samalla ne ovat vahvasti vuorovaikutuksessa ns. spin polarisaatio , joka vaikuttaa suuresti intensiteettiin: näiden tasojen optiseen absorptioon ja luminesenssiin. [12]

Tämän ymmärtämiseksi on pidettävä mielessä, että siirtymät elektronisten tilojen välillä tapahtuvat kokonaisspin säilyessä. Tästä syystä siirtymät ³E↔ 1 A ja 1 A↔³A ovat ei-säteilyllisiä ja sammuttavat luminesenssin, kun taas siirtymä m s = −1 ↔ 0 on kielletty kentän puuttuessa ja sallitaan, kun magneettikenttä sekoittuu m s = −1 ja m s =0 perustilatasoa. Tuloksena on, että luminesenssin intensiteettiä voidaan moduloida voimakkaasti magneettikentällä.

Viritystila ³E on lisäksi jaettu kiertoradan rappeutumisen ja spin-kiertoradan vuorovaikutuksen vuoksi. Tätä jakamista voidaan moduloida ulkoisella staattisella kentällä, joko sähköisellä tai magneettisella. [16] [17]

Tasojen ja tasojen välinen etäisyys on mikroaaltouunin alueella (~2,88 GHz ). Säteilyttämällä keskustaa mikroaaltokentällä voidaan muuttaa perustilan alatasojen populaatiota ja siten moduloida luminesenssin intensiteettiä. Tätä tekniikkaa kutsutaan elektroniparamagneettiseksi resonanssimenetelmäksi .

Siirtymäoskillaattorin voimakkuus

Siirtymisellä maatriplettitilasta A³ viritettyyn triplettitilaan E³ on suuri oskillaattorivoimakkuus: 0,12 (vertailun vuoksi: Rb 87 :n D1-linjalla on 0,6956), mikä tekee siirtymisen havaitsemisen helposti optisilla menetelmillä. Vaikka virittyneen tilan hienorakenne riippuu voimakkaasti keskuksen ympäristöstä, tiedetään, että siirtyminen virittyneestä tilasta m s =0 (³E) perustilaan m s =0 (³A) säilyttää viritystilan spinin. tilassa, kun taas siirtyminen tiloista m s =±1 ( ³E) tilassa m s =0 (³A) tapahtuu ei-säteilytetyllä tavalla. Tämä siirtyminen suoritetaan kahdessa vaiheessa: singlettitilan 1 A kautta.

Lisäksi on olemassa ylimääräinen tilojen m s =±1 jako, joka on seurausta ydin- ja elektronisten spinien välisestä hyperhienosta vuorovaikutuksesta. Tämän seurauksena NV -keskuksen absorptio- ja luminesenssispektri koostuu noin tusinasta kapeasta viivasta, joita erottaa useita MHz-GHz . Näiden linjojen intensiteettiä ja sijaintia voidaan moduloida seuraavilla tavoilla:

Mikroaaltopulssi kiihottaa koherentisti keskuksen elektronikierroksia; elektronisten spinien tilaa seurataan optisten siirtymien fluoresenssilla. Dynaamiset efektit ovat erittäin tärkeitä kvanttitietokoneiden luomisessa .

Ohut optinen spektri

NV-keskuksen ohut optinen spektri määräytyy useiden tekijöiden perusteella:

15N- ja 12C - isotooppien ydinspinnit ovat ½ ja 0, vastaavasti.

Nollafononiviivan fluoresenssispektrin leveys

Nollafononiviivan fluoresenssispektrin leveys lämpötiloissa T < 10 K on vakio ja yhtä suuri kuin 13 MHz. Lämpötilan noustessa leveys kasvaa lain mukaan :

missä ja . Tämä riippuvuus selittyy spin - tilojen sekoittumisesta viritetyssä tilassa . [24]


Valmistus

Jopa erittäin puhdas luonnon- ja synteettinen (tyyppi IIa) timantti sisältää pienen pitoisuuden NV-keskuksia. (Korkean puhtauden synteettinen timantti valmistetaan käyttämällä kemiallista höyrypinnoitusta (CVD)). Jos keskusten pitoisuus on riittämätön, näytteet säteilytetään ja hehkutetaan. Säteilytys suoritetaan korkeaenergisilla hiukkasilla (10-80 keV); se voi olla virta: elektroneja, protoneja, neutroneja ja gammahiukkasia. NV − keskukset muodostuvat jopa 60 µm:n syvyyteen. On mielenkiintoista, että NV 0 esiintyy enimmäkseen 0,2 µm:n syvyyteen asti. Huoneenlämmössä luodut työpaikat ovat epäaktiivisia, mutta lämpötilan noustessa (yli 800C) niiden liikkuvuus lisääntyy merkittävästi. Hilaan upotettu typpiatomi vangitsee yhden tyhjistä paikoista ja luo NV - toisen viereisen tyhjiön kanssa . [25] [26]

Timantti tunnetaan hilassa sisäisistä jännityksistä, jotka jakavat, siirtävät ja laajentavat NV-keskuksen tasoja. Kapeiden viivojen (~10 MHz) havaitsemiseksi siirtymäkohdassa on suoritettava erityisiä toimenpiteitä kiteen laadun suhteen. [27] Tätä varten käytetään erittäin puhdasta luonnontimanttia tai synteettisesti valmistettua (IIa-tyypin) timanttia.

Keskusten tutkimiseen käytetään yleensä konfokaalista pyyhkäisymikroskooppia , jonka resoluutio on submikroninen (~250 nm).

Muistiinpanot

  1. ↑ PC Maurer, JR Maze, PL Stanwix, L. Jiang, AV Gorshkov, AA Zibrov, B. Harke, JS Hodges, AS Zibrov, A. Yacoby, et ai. Kaukokentän optinen kuvantaminen ja yksittäisten spinien manipulointi nanomittakaavan resoluutiolla  // Nature Physics  : Journal  . - s. 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. Kvanttirekisteri perustuu yksittäisiin elektronisiin ja ydinspin-kubiteihin timantissa. (englanniksi)  // Tiede: lehti. - 2007. - Voi. 1312-1316 . - s. 1-7 . - doi : 10.1126/tiede.1139831 .
  3. ↑ Davies G., Hamer M.F.,. Optiset tutkimukset 1.945 eV Vibronic Band in Diamond  // Proceedings of the Royal Society of London  . A-sarja, Mathematical and Physical Sciences (1934-1990)  : aikakauslehti. - 1976. - Voi. 348 . - s. 285 . - doi : 10.1098/rspa.1976.0039 .
  4. ↑ Mita Yoshimi. Absorptiospektrien muutos tyypin Ib timantissa raskaalla neutronisäteilyllä  (englanniksi)  // Physical Review B  : Journal. - 1996. - Voi. 53 . — s. 11360 . - doi : 10.1103/PhysRevB.53.11360 .
  5. ↑ Loubser JHN, van Wyk JA  Elektronin spin-resonanssi timantin tutkimuksessa  // Raportteja fysiikan edistymisestä : päiväkirja. - 1978. - Voi. 41 . - s. 1201 . - doi : 10.1088/0034-4885/41/8/002 .
  6. ↑ Redman D., Brown S., Sands R., Rand S. Timantin NV-keskusten pyörimisdynamiikka ja elektroniset tilat EPR:llä ja neliaaltosekoitusspektroskopialla  // Physical Review Letters  : Journal  . - 1991. - Voi. 67 . — s. 3420 . - doi : 10.1103/PhysRevLett.67.3420 .
  7. ↑ Gruber, A. Konfokaalisen optisen mikroskopia ja magneettiresonanssi yksittäisissä vikakeskuksissa  //  Science : Journal. - 1997. - Voi. 276 . - s. 2012 . - doi : 10.1126/tiede.276.5321.2012 .
  8. ↑ Felton S., Edmonds AM, Newton ME, Twitchen DJ Elektroniparamagneettiset resonanssitutkimukset neutraalin typen vapaasta timantista  // Physical Review B  : Journal  . - 2008. - Voi. 77 . — P. 081201 . - doi : 10.1103/PhysRevB.77.081201 .
  9. ↑ P. Neumann, R. Kolesov, B. Naydenov, et ai. Kvanttirekisteri, joka perustuu kytkettyihin elektronien spineihin huoneenlämpöisessä kiinteässä aineessa  // Nature Physics  : Journal  . - 2010. - Vol. AOP . - s. 1-5 . - doi : 10.1038/NPHYS1536 .
  10. ↑ David D. Awschalom, Ryan Epstein ja Ronald Hanson. Spintroniikan  timanttiaika // Scientific American  . - Springer Nature , 2007. - lokakuu. — s. 90 .
  11. ↑ 1 2 Fuchs GD, Dobrovitski VV, Hanson R., Batra A., Weis CD, Schenkel T., Awschalom DD,. Excited-State Spectroscopy With Single Spin Manipulation in Diamond  (englanniksi)  // Physical Review Letters, : Journal. - 2008. - Voi. 101 . — P. 117601 . - doi : 10.1103/PhysRevLett.101.117601 .
  12. ↑ M. Steiner, P. Neumann, J. Beck, F. Jelezko ja J. Wrachtrup. Yksittäisen elektronin spinien optisen lukutarkkuuden universaali parannus timantin  typpivakanssilla //  Phys.Rev B : Journal. — Voi. 81 . — P. 035205 . - doi : 10.1103/Phys.RevB.81.035205 .
  13. ↑ Luettelo kristallografisista ryhmistä
  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 ai. Stark Shift Control of Single Optical Centers in Diamond  (englanniksi)  // Physical Review Letters  : Journal. - (2006).. - Voi. 97 . — P. 083002 . - doi : 10.1103/PhysRevLett.97.083002 .
  16. ↑ 1 2 3 4 Timantin typpivakanssikeskuksen spin-flip- ja spin-säilyttävät optiset siirtymät  // New  Journal of Physics  : Journal. - 2008. - Voi. 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 ja Philip Hemmer. Timantin yksittäisten kierrosten johdonmukainen populaatioloukku optisen herätteen alaisena   : päiväkirja . - 2006. - Voi. 97 . — P. 247401 . - doi : 10.1103/PhysRevLett.97.247401 .
  18. ↑ Hanson R., Gywat O., Awschalom D.D.,. Huoneenlämpötilan manipulointi ja yhden spinin dekoherenssi timantissa  (englanniksi)  // Physical Review B  : Journal. - 2006. - Voi. 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 Kvanttirekisteri perustuu yksittäisiin elektronisiin ja ydinpyörityksiin   Diamondissa // - 2007. - Voi. 316 . - s. 1312 . - doi : 10.1126/tiede.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. - Voi. 314 . - s. 281 . - doi : 10.1126/tiede.1131871 .
  21. ↑ Batalov A., Zierl C., Gaebel T., Neumann P., Chan I.-Y., Balasubramanian G. Hemmer PR, Jelezko F., Wrachtrup J.,. Yksittäisten timanttien typpivakanssikeskittymien lähettämien fotonien ajallinen koherenssi käyttämällä optisia rabivärähtelyjä  // Physical Review Letters  : Journal  . - 2008. - Voi. 100 . — P. 077401 . - doi : 10.1103/PhysRevLett.100.077401 .
  22. ↑ Jelezko F., Gaebel T., Popa I., Gruber A., ​​​​Wrachtrup J.,. Koherenttien värähtelyjen havainnointi yksittäisessä elektronissa  // Physical Review Letters  : Journal  . - 2004. - Voi. 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 ja Raymond G. Beausoleil, Phys.Rev.Lett. 103 , 256404 (2009)
  24. ↑ Lang AR, Moore M., Makepeace APW, Wierzchowski. Synteettisen tyypin Ib timantin laajentamisesta korvaavalla typen epäpuhtaudella  (englanniksi)  // Philosophical Transactions of the Royal Society: Physical and Engineering Sciences (1990-1995): aikakauslehti. - 1991. - Voi. 337 . - s. 497 . doi : 10.1098 / rsta.1991.0135 .
  25. ↑ K. Iakoubovskii ja Guy J. Adriaenssens. Avointen työpaikkojen kiinniotto timanttivirheiden takia  //  Journal of Physics: Condensed Matter : päiväkirja. - 2001. - Voi. 13 . — s. 6015 . - 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 Shift Control of Single Optical Centers in Diamond  (englanniksi)  // Physical Review Letters  : Journal. - 2006. - Voi. 97 . — P. 083002 . - doi : 10.1103/PhysRevLett.97.083002 .