NV-центр

NV-центр ( англ. nitrogen-vacancy center ) Або азото-заміщена вакансія в алмазі - це один з численних точкових дефектів алмазу. Дефект являє собою порушення будови кристалічної решітки алмаза, що виникає при видаленні атома вуглецю з вузла решітки та зв'язування утворилася вакансії з атомом азоту.

Унікальність дефекту полягає в тому, що його властивості практично аналогічні властивостям атома, "замороженого" в кристалічній решітці алмазу. Електронні спини індивідуального центру легко маніпулюються світлом, магнітним, електричним і мікрохвильовими полями, що дозволяє записувати квантову інформацію на спині ядра центру. Така маніпуляція можлива навіть при кімнатній температурі. Центр має тривалий, що досягає декількох мілісекунд, час зберігання наведеної спінової поляризації. В даний час NV центр може розглядатися як базовий елемент майбутнього квантового процесора, необхідного для створення комп'ютера, ліній зв'язку з квантовим протоколом безпеки та інших застосувань спінтроніки [1] [2].


1. Структура центру

Спрощена структура NV - центру

NV центр є дефектом кристалічної решітки алмазу. Дефект включає в себе вакансію решітки зі зв'язаним з нею атомом азоту. Розмір решітки становить 3,5 ангстрема. Вісь симетрії проходить по лінії, що з'єднує вакансію і атом азоту, і проходить по лінії [111].


1.1. Методи дослідження

З спектроскопічних досліджень відомо, що цей дефект може мати негативний (NV -) або нейтральний (NV 0) заряд. У дослідженнях використовувалися різні методи: оптичне поглинання [3] [4], фотолюмінісценція (ФО) [5], електронний парамагнітний резонанс (ЕПР) [6] [7] і оптично детектується магнітний резонанс (ОДМР) [8], який можна вважати гібридом ФЛ і ЕПР. Найбільш докладну картину взаємодії дає ЕПР. Атом азоту має п'ять валентних електронів. Три з них ковалентно пов'язані з довколишніми атомами вуглецю, а два - з вакансією. Додатковий електрон центр захоплює зі "сторони" (мабуть, від іншого атома азоту). Іноді центр втрачає цей електрон перетворюючись на нейтральний [9].

У негативно зарядженого центру NV - електрон знаходиться поруч з вакансією, утворюючи спінову пару S = 1 з одним з валентних електронів вакансії. Як і в NV 0 електрони вакансії обмінюються ролями зберігаючи повну трігональную симетрію. Стан NV - зазвичай називають NV центром. Електрон перебуває більшу частину часу (90%) поблизу вакансії NV-центру [10].

NV центри як правило випадково розкидані в тілі алмазу. Однак іонна імплантація дозволяє створювати центри в виразно заданому місці [11].


2. Енергетична структура рівнів NV центру

Схема рівнів NV - центру.
Електронні переходи між основними А і збудженими Е станами, розділеними 1.945 eV (637 nm) і визначальними спектр поглинання та люмінесценції. Стан А розщепленням на 1027 гаус (~ 5.6 μeV), а стан E - на 508 gauss [12] (~ 2.9 μeV). Числа 0, 1 позначають величину спина; розщеплення за спин-орбітальної виродження не показано.

Енергетична структура NV - центрів вивчалася теоретично і експериментально. В експериментах, в основному, застосовувався комбінований спосіб збудження - метод електронного параметричного резонансу і лазерне випромінювання.


2.1. Гамільтоніан

Спіновий Гамільтоніан центру, у якого в вакансії знаходиться ізотоп азоту N ^ {14} , Має вигляд [13]

~ H = D \ hat {S} ^ 2_z + g \ beta \ hat {S} _z B + A \ hat {I} \ hat {S} + g_n \ beta_n \ hat {I} _z B + Q \ hat { I} ^ 2_z ,

де D і A - тензори тонкого і надтонкого розщеплення, Q - тензор квадрупольного ядерного розщеплення ~ G, g_n і ~ \ Beta, \ beta_ {e, n} - Електронний і ядерний фактори ~ G і магнетон Бора.

Таблиця 1
D, MHz A, MHz Q, MHz
^ 3 A 2870 -2.166 4.945
^ 3 E 1420 40

Схема рівнів представлена ​​на малюнку. Для того щоб визначити власні стану центру, його розглядають як молекулу, а в розрахунках застосовують метод лінійної комбінації атомних орбіталей. Також використовується теорія груп, що враховує як симетрію алмазної кристалічної структури, так і симетрію самого NV. Енергетичні рівні позначені відповідно до симетрії групи C_ {3V} , Ie A_ {1}A_ {2} and E [14]. Числа 3 в A і 1 в 1 A представляють число дозволених m s спінових станів, або спінову мультиплетність, що лежить від - S до S при повному числі 2 S +1 можливих станів. Якщо S = 1, m s може приймати значення -1, 0, or 1. Рівень 1 A передбачений теорією і грає важливу роль у придушенні фотолюмінесценції, але прямого експериментального спостереження цього стану поки не було.

Спектр флуоресценції NV - центру при температурі 9 До o. Вузький пік є т. зв. люмінесценцією нульової фононній лінії (анг. zero phonon line). У цьому піку міститься близько 4% всієї люмінесценції

У відсутність зовнішнього магнітного поля основне і порушену стану розщеплені магнітним взаємодією між двома неспареними електронами NV - центру: при паралельних спинах електронів (m s = 1) їх енергія більше, ніж у випадку з антипаралельними спинами (m s = 0).

Чим далі відокремлені електрони, тим слабкіше взаємодія D (приблизно D ~ 1 / r) [6] Іншими словами, менша розщеплення збудженого стану означає велику віддаленість один від одного електронів. Коли NV - знаходиться в зовнішньому магнітному полі, воно не впливає ні на m s = 0 стану ні на 1 A стан (через те, що S = 0), але воно розщеплює m s = 1 рівні. Якщо магнітне поле зорієнтовано уздовж осі дефекту і його величина досягає 1027 Гаус (або 508 Гаус), то m s = -1 і m s = 0 рівні в основному (або збудженому) стані мають однакову енергію. При цьому вони сильно взаємодіють через т. зв. спінову поляризацію, що дуже сильно впливає на інтенсивність оптичного поглинання та люмінесценції цих рівнів [12].

Для того щоб це зрозуміти необхідно мати на увазі, що переходи між електронними станами відбуваються із збереженням повного спина. З цієї причини переходи E ↔ 1 A and 1 A ↔ A безізлучательние і тушкують люмінесценцію. Тоді як перехід m s = -1 ↔ m s = 0 заборонений в відсутність поля і стає дозволеним коли магнітне поле перемішує m s = -1 і m s = 0 рівні основного стану. Результатом є те, що інтенсивність люмінесценції можна сильно модулювати магнітним полем.

Збуджений стан E додатково розщеплено завдяки орбітальному виродження і спін-орбітальної взаємодії. Це розщеплення може бути промодулірованной зовнішнім статичним як електричним, так і магнітним полями [15] [16].

Відстань між рівнями m s = 0 і m s = 1 припадає на мікрохвильовий діапазон (~ 2.88 ГГц). Опромінюючи центр мікрохвильовим полем, можна змінювати населеність підрівнів основного стану і тим самим модулювати інтенсивність люмінесценції. Ця техніка називає методом електронного парамагнітного резонансу.


2.2. Сила осцилятора переходу (^ 3A \ Leftrightarrow ^ 3E)

Перехід з основного триплетів стану A в збуджений триплетное стан Е має велику силу осцилятора - 0,12 (для порівняння D1 лінія Rb 87 має 0.6956), що дозволяє легко детектувати цей перехід оптичними методами. Хоча тонка структура збудженого стану сильно залежить від оточення центру, але відомо, що перехід із збудженого m s = 0 ( E) в основне m s = 0 ( A) стан зберігає спін стану. Тоді як перехід із станів m s = 1 ( E) у m s = 0 ( A) відбувається безізлучательниі способом. Цей перехід здійснюється в два етапи - через синглетний стан 1 A.

Існує також додаткове розщеплення станів m s = 1 є результатом надтонкої взаємодії між ядерним та електронному спинами. У підсумку, спектр поглинання і люмінесценсіі NV - центру складається приблизно з дюжини вузьких ліній розділених на кілька МГц-ГГц. Інтенсивність і положення цих ліній може бути промодулірованной такими способами:

Установка для дослідження властивостей NV-центрів. Основою установки є конфокальний мікроскоп. До складу якого входить високоапертурний імерсіонний об'єктив OBJ (NA = 1.45), лінзи, одномодовое оптичне волокно, і діхроічние дзеркала. SPCM-лічильник одиночних фотонів, гальванометр - сканує пучок світла від зеленого лазера по поверхні зразка
  • амплітуда і напрям магнітного поля, яке розщеплює стану m s = 1 в основному та збуджених термах.
  • амплітуда і напрям механічного (просте стиск алмазу) або електричного напруг [15] [16]
  • безперервне мікрохвильове випромінювання [16]
  • лазерне випромінювання, що збуджує селективно той чи інший рівень основного стану [16] [17] імпульсна мікрохвильове випромінювання збуджує в центрах динамічні ефекти ( Рабі переставлення, Рабі осциляції) [18] [19] [20] [21] [22].

Мікрохвильовий імпульс когерентно збуджує електронні спини центру, за станом електронних спінів стежать за флуоресценції оптичних переходів. Динамічні ефекти вельми важливі при створенні квантових комп'ютерів.


3. Тонкий оптичний спектр

Кореляційна функція інтенсивності випромінювання NV-центру g ^ 2 (\ tau) . Вимірювання було зроблено за методом Хенбері Браун-Твісс (Hanbury Brown and Twiss). З кривої можна зробити висновок, що одиночний NV-центр є джерелом одиночних фотонів (antibunching, g ^ 2 (\ tau) <1 при \ Tau = 0 )

Тонкий оптичний спектр NV-центру визначається декількома факторами:

  • Механічним напругою всередині кристала,
  • Присутністю атомів в оточенні NV-центру:
    • ізотопу азоту 14 N,
    • ізотопу вуглецю 13 C,
      мають ядерний спін рівний 1 і 1/2 відповідно. Спін-спінова взаємодія ядра і електронів призводить до додаткового ускладнення спектру центру.

Ізотопи 15 N і 12 C мають ядерний спін рівний 1/2, 0, відповідно.


3.1. Ширина спектра флуоресценції нульової фононній лінії

Ширина спектра флуоресценції нульової фононній лінії ~ \ Gamma (T) при температурах T <10 K постійна і дорівнює 13 МГц. З підвищенням температури ширина зростає за законом {\ Gamma (T) = 2 \ pi \ times ~ 16.2 MHz + c_2 r T ^ 5} , Де {C_2 = (9.2 \ pm 0.5) \ times 10 ^ {-7} K ^ {-5}} , І ~ {R = (12.5 ns) ^ {-1}} . Таку залежність пояснюють перемішуванням спінових станів у збудженому стані ~ {^ 3} E [23].

Залежність ширини лінії флуоресценції NV-центру від температури

4. Виготовлення

Навіть Високочистий природний і синтетичний (IIa типу) алмаз містить невелику концентрацію NV-центрів. (Високочистий синтетичний алмаз виготовляють за допомогою хімічного осадження з парової фази (CVD)). Якщо ж концентрація центрів недостатня, то зразки опромінюють і отжигают. Опромінення ведуть високоенергетичними частинками (10-80 кеВ). Це може бути потік електронів, протонів, нейтронів і гамма-частинок. NV - центри створюються на глибині до 60 мкм. Цікаво, що NV 0 в основному залягають до 0.2 мкм глибин Створені вакансії при кімнатній температурі малорухливі, проте, при підвищенні температури (вище 800С) їх рухливість значно виростає. Атом азоту, впроваджений в грати, захоплює одну з вакансій і створює з іншої сусідньої вакансією NV - [24], [25].

Алмаз відомий тим, що його решітка має внутрішні напруження, які розщеплюють, зміщують і розширюють рівні NV-центру. Для реєстрації вузьких ліній (~ 10 MHz) на переході ^ 3A \ Leftrightarrow ^ 3E потрібно вживати особливих заходів до якості кристала [15]. Для цього використовують високо-чистий природний алмаз або синтетично виготовлений (IIa типу). Для дослідження центрів зазвичай застосовують конфокальний скануючий мікроскоп, який має субмікронний дозвіл (~ 250 нм).


Примітки

  1. PC Maurer, JR Maze, PL Stanwix, L. Jiang, AV Gorshkov, AA Zibrov, B. Harke, JS Hodges, AS Zibrov, A. Yacoby, et al .. "Far-field optical imaging and manipulation of individual spins with nanoscale resolution". Nature Physics: 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 (2007). "Quantum register based on individual electronic and nuclear spin qubits in diamond.". Science 1312-1316: 1-7. DOI : 10.1126/science.1139831.
  3. Davies G., Hamer MF, (1976). "Optical Studies of the 1.945 eV Vibronic Band in Diamond". Proceedings of the Royal Society of London. Series A, Mathematical and Physical Sciences (1934-1990) 348: 285. DOI : 10.1098/rspa.1976.0039.
  4. Mita Yoshimi (1996). "Change of absorption spectra in type-Ib diamond with heavy neutron irradiation". Physical Review B 53: 11360. DOI : 10.1103/PhysRevB.53.11360.
  5. Iakoubovskii K, Adriaenssens GJ, Nesladek M., (2000). "Photochromism of vacancy-related centres in diamond". Journal of Physics: Condensed Matter 12. DOI : 10.1088/0953-8984/12/2/308.
  6. 1 2 Loubser JHN, van Wyk JA (1978). "Electron spin resonance in the study of diamond". Reports on Progress in Physics 41: 1201. DOI : 10.1088/0034-4885/41/8/002.
  7. Redman D., Brown S., Sands R., Rand S. (1991). "Spin dynamics and electronic states of NV centers in diamond by EPR and four-wave-mixing spectroscopy". Physical Review Letters 67: 3420. DOI : 10.1103/PhysRevLett.67.3420.
  8. Gruber, A. (1997). "Scanning Confocal Optical Microscopy and Magnetic Resonance on Single Defect Centers". Science 276: 2012. DOI : 10.1126/science.276.5321.2012.
  9. Felton S., Edmonds AM, Newton ME, Twitchen DJ (2008). "Electron paramagnetic resonance studies of the neutral nitrogen vacancy in diamond". Physical Review B 77: 081201. DOI : 10.1103/PhysRevB.77.081201.
  10. P.Neumann, R.Kolesov, B.Naydenov et al., (2010). "Quantum register based on coupled electron spins in a room-temperature solid". Nature Physics AOP: 1-5. DOI : 10.1038/NPHYS1536.
  11. David D. Awschalom, Ryan Epstein and Ronald Hanson (October, 2007). "Diamond Age of Spintronics". Scientific American: 90.
  12. 1 2 Fuchs GD, Dobrovitski VV, Hanson R., Batra A., Weis CD, Schenkel T., Awschalom DD, (2008). "Excited-State Spectroscopy Using Single Spin Manipulation in Diamond". Physical Review Letters, 101: 117601. DOI : 10.1103/PhysRevLett.101.117601.
  13. M.Steiner, P.Neumann, J. Beck, F. Jelezko, and J. Wrachtrup. "Universal enhancement of the optical readout fidelity of single electron spins at nitrogen-vacancy in diamond". Phys.Rev B 81: 035205. DOI : 10.1103/Phys.RevB.81.035205.
  14. Список кристалографічних груп
  15. 1 2 3 Tamarat, Ph.; Gaebel, T.; Rabeau, J.; Khan, M.; Greentree, A.; Wilson, H.; Hollenberg, L.; Prawer, S. et al. ((2006).). "Stark Shift Control of Single Optical Centers in Diamond". Physical Review Letters 97: 083002. DOI : 10.1103/PhysRevLett.97.083002.
  16. 1 2 3 4 (2008) "Spin-flip and spin-conserving optical transitions of the nitrogen-vacancy center in diamond". New Journal of Physics 10: 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, and Philip Hemmer, (2006). "Coherent Population Trapping of Single Spins in Diamond under Optical Excitation" 97: 247401. DOI : 10.1103/PhysRevLett.97.247401.
  18. Hanson R., Gywat O., Awschalom DD, (2006). "Room-temperature manipulation and decoherence of a single spin in diamond". Physical Review B 74: 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 (2007). "Quantum Register Based on Individual Electronic and Nuclear Spin Qubits in Diamond". Science 316: 1312. DOI : 10.1126/science.1139831.
  20. Childress L., Gurudev Dutt MV, Taylor JM, Zibrov AS, Jelezko F., Wrachtrup J., Hemmer PR, Lukin MD (2006). "Coherent Dynamics of Coupled Electron and Nuclear Spin Qubits in Diamond". Science 314: 281. DOI : 10.1126/science.1131871.
  21. Batalov A., Zierl C., Gaebel T., Neumann P., Chan I.-Y., Balasubramanian G. Hemmer PR, Jelezko F., Wrachtrup J., (2008). "Temporal Coherence of Photons Emitted by Single Nitrogen-Vacancy Defect Centers in Diamond Using Optical Rabi-Oscillations". Physical Review Letters 100: 077401. DOI : 10.1103/PhysRevLett.100.077401.
  22. Jelezko F., Gaebel T., Popa I., Gruber A., Wrachtrup J., (2004). "Observation of Coherent Oscillations in a Single Electron Spin". Physical Review Letters 92: 076401. DOI : 10.1103/PhysRevLett.92.076401.
  23. Kai-Mei C. Fu, Charles Santori, Paul E Barclay, Lachlan J. Rogers, Neil B. Manson, and Raymond G. Beausoleil, Phys.Rev.Lett. 103, 256404 (2009)
  24. Lang AR, Moore M., Makepeace APW, Wierzchowski (1991). "On the Dilatation of Synthetic Type Ib Diamond by Substitutional Nitrogen Impurity". Philosophical Transactions of the Royal Society: Physical and Engineering Sciences (1990-1995) 337: 497. DOI : 10.1098/rsta.1991.0135.
  25. K. Iakoubovskii and Guy J. Adriaenssens (2001). "Trapping of vacancies by defects in diamond". Journal of Physics: Condensed Matter 13: 6015. DOI : 10.1088/0953-8984/13/26/316.