量子电子学论文课件.doc

纳米金刚石中NV色心的制备与量子调控研究 姓名：徐海桥 学号：201510121240 NV色心是金刚石中一个氮原子（N）替位杂质和一个近邻碳原子空位（V）组成的点缺陷，它是单自旋量子比特，可以通过光学和磁共振方法在室温下实现自旋极化和调控。近年来NV色心在量子信息、量子电子学、纳米尺度高灵敏度物理量探测、生物成像、量子光学等领域受到研究人员的广泛重视并取得诸多重要进展。本论文的主要研究工作涉及以下2个方面:在样品制备方面，我提出了一种基于撤压-氧化过程实现纳米金刚石中NV色心制备的方法。相比较于传统方法，该方法具有高效、绿色、高质量和省时等特点。另一方面根据NV色心量子比特的相干性，进行两个近邻的单NV色心在532nm激光的刺激下共同发光的实验。 金刚石是一种应用广泛的非常奇异的材料:首先由于具备优异的光学特性，金刚石是最著名的珠宝;卓越的硬度和热导率使得它被广泛用做打磨和抛光工具以及导热片;另外金刚石作为宽带隙的半导体，未来可能会在半导体领域发挥重要作用。常见的金刚石分为天然金刚石和合成金刚石，其中合成的金刚石以纳米金刚石、薄膜金刚石、块材金刚石等形式存在。一般来说，纯净的金刚石是透明的，然而由于金刚石形成过程中不同点缺陷的存在，导致金刚石表现出灰色、黄色、黄绿色、粉色、褐色等不同的颜色，其中可导致可见光谱区光吸收的点缺陷被称为色心。人们对金刚石色心己经进行了几十年的研究，目前己经发现金刚石内存在着500余种不同类型的发光中心，这其中以氮一空位（NV）色心在物理研究领域最为广泛和最为著名。NV色心是金刚石晶格内的C原子被N原子替代(Nitrogen)后形成N替位再连接一个C空位(Vacancy)组成的，因此一般来说含N量较高的金刚石可以形成比较高浓度的NV色心，这种类型的金刚石一般表现为黄色。根据金刚石体内的氮含量不同还可以对其进行多种分类。 如今越来越多的研究组进入这一领域。其原因不单单是因为它的稳定优异的光学特性，更重要的是NV色心是一种理想的室温下的固态量子比特(qubit) NV色心在室温下可以实现状态的极化、读取与操纵，并且还能与环境实现较好的隔离从而保持较长的相干时间，其满足David DiVincenzo提出的好的量子比特所应具备的特性。基于其良好的光学和自旋等特性，如今NV色心被广泛应用于量子信息、生物荧光标记、纳米尺度高灵敏物理量（磁场、电场、温度等）探测等领域的研究。 氮-空位(NV)色心是金刚石中一种点缺陷，由一个替位氮原子和一个邻位空位组成，如图1(a)所示。由于金刚石晶格的面心立方嵌套结构和NV色心的C3v对称性，NV色心在金刚石中有四种可能的取向，如图1(b)所示。NV色心的对称轴为氮和空位的连接轴，该对称轴与其它C-N键夹角a为109.47°。 NV色心的结构和对称性决定了其能级结构，继而影响了其自旋和光学特性。 NV色心有中性(NV0 )和负电性(NV-)两种不同的电荷状态，中性的NV色心(NV0)含有5个电子，其自旋S=1/2。若色心俘获晶 图1 (a) N V色心的结构。（b）金格中NV色心的四种不同取向 格中的电子，则形成NV-，其具有6个电子，基态自旋S=1。我们实验中重点研究的NV色心通常情况下是NV-，因此在不做特殊说明的情况下，下面所指的NV色心均为NV-。值得说明的是，目前己经可以通过外加电场，激光，金刚石表面处理等手段实现NV色心两种电荷状态的可控转化。 NV色心的能级结构可以通过六电子或两空穴模型计算得出。目前关于NV色心的能级结构特别是激发态的结构还存在争议。考虑到自旋一轨道相互作用、自旋一自旋相互作用、晶格应力存在而引入的微扰项等因素，目前比较认可的能级结构如图2所示。其中基态3A2与激发态3E之间有1.945eV的能量间隔，对应NV色心的零声子线((ZPL)跃迁。室温下基态自旋三态之间有2.87GHz的零场分裂，激发态自旋三态之间有1.42GHz的零场分裂。激发态不同条件下能级的精细结构情况如图2所示。 另外一些实验也从另一面印证了NV色心的能级结构:非轴向的应力测量解释了其具备C3v对称性，其ZPL辐射对应A态到E态的能级跃迁；烧孔(Hole-burning)、电子顺磁共振(ESR)、光探测磁共振(ODMR)等都证实了其基态为自旋三重态结构3A2 。另外激发态能级结构可以通过637nm附近激光在低温下实现能级共振激发进行研究。 NV色心的许多研究与应用都是基于对其基态的自旋态极化与读取。实验发现，NV色心在ms=0自旋态的荧光强度要强于其在ms=±1态的荧光强度。极化过程如图3所示:非共振激发(532nm)同时实现ms=0和ms=±1态的光跃迁，然而，由于中间态的存在，处于ms=±1激发态的电子只有部分通过辐射跃迁回到了基态的ms=±1态，而另一部分