CN112268878B - 一种金刚石内同方向色心的高效确认方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种金刚石内同方向色心的高效确认方法及系统，结合荧光成像与光探测磁共振技术，实现NV色心方向的快速、高效的确定。在实际操作中，按照本发明提出的流程，一次操作，可以将大量同方向的色心确认筛选出来，将大大提升利用NV色心阵列进行量子信息处理与量子传感应用的效率。本发明提出的方法也同样适用于金刚石内其它色心(如SiV、GeV色心等)和其它固态晶体内的自旋缺陷方向确认(如SiC晶体中的NCVS，VV色心等)，具有普适性。

Description

一种金刚石内同方向色心的高效确认方法及系统
技术领域
本发明属于量子信息与固体物理领域，涉及一种金刚石内同方向色心的高效确认方法及系统。
背景技术
固态晶体中的点自旋缺陷是量子信息领域的重要实现载体，其中金刚石内的NV色心获得了最广泛的关注和研究。NV色心是金刚石内的点缺陷，它由晶格中一个碳空位(V)和一个最近邻的替位氮原子(N)构成。NV色心具有优异的光学与自旋特性，因而被广泛应用于量子信息处理与量子传感等领域。
如图1所示，由于金刚石的晶格结构特征，NV色心在金刚石内有四种不同的方向([111],
Figure BDA0002640853800000011
)，并且随机的处于其中某一种方向上。在利用NV色心进行量子信息处理或量子传感测量时(如磁场测量)，需要首先确定色心的量子化轴，即NV色心的方向。传统上，NV色心方向的确定需要在外加静磁场下逐个做光探测磁共振谱测量(NewJournal of Physics 16,6(2014),063067)。在大规模量子信息处理与宽场量子传感等领域，需要大量逐个的确认其方向，这会浪费大量的时间与资源。如图2所示，每个色心随机的分布在不同方向上，要使用这些NV色心，需要逐个确定其方向。
发明内容
本发明的技术解决的问题是：提出一种金刚石内同方向NV色心的高效确认方法及系统，批量确认金刚石内同方向NV色心，大幅提升利用NV色心进行大规模量子信息处理与量子传感的效率。
本发明采用的技术方案为：
一种金刚石内同方向色心的高效确认方法，步骤如下：
(1)对金刚石内待确认的任意区域进行荧光成像，得到图像P1，得到该区域内单色心位置分布；
(2)在图像P1中选取任意一个单色心，标记为A；
(3)对该金刚石施加一任意非零磁场B，测量该磁场条件下A点的光探测磁共振谱ODMR_A,记录两个磁共振峰的位置E_A1和E_A2；
(4)保持磁场B不变，对金刚石施加频率为E_A1或E_A2的连续微波，并再次测量步骤(1)中所述区域的荧光图像，得到图像P2；
(5)计算图像P1中各荧光点相对于P2中各荧光点的荧光强度减少量，并以图像P1为参考做归一化处理，得到图像P3；荧光点即为单色心。
(6)P3内的亮斑即为该区域与A色心同方向的色心；至此该区域内与A色心同方向的色心即被确认筛选出来；
(7)重复步骤2-6，获得另外几个方向的色心。
进一步的，步骤(5)所述计算图像P1中各荧光点相对于P2中各荧光点的荧光强度减少量，并以图像P1为参考做归一化处理，通过如下公式进行：
Figure BDA0002640853800000021
其中，IP1是图像P1内色心的荧光强度，IP2是图像P2内对应P1中同位置的色心的荧光强度。
进一步的，步骤(6)中所述亮斑是指归一化处理后呈现圆形或类圆形的光斑，不包括由于噪声导致的亮点。
进一步的，所述色心为金刚石内NV色心、SiV色心或者GeV色心。
进一步的，本发明还提出一种金刚石内同方向色心确认系统，包括：
第一荧光成像模块：对金刚石内待确认的任意区域进行荧光成像，得到图像P1，得到该区域内单色心位置分布；在图像P1中选取任意一个单色心，标记为A；
磁共振模块：对该金刚石施加一任意非零磁场B，测量该磁场条件下A点的光探测磁共振谱ODMR_A,记录两个磁共振峰的位置E_A1和E_A2；
第二荧光成像模块：保持磁场B不变，对金刚石施加频率为E_A1或E_A2的连续微波，并再次测量同一区域的荧光图像，得到图像P2；
荧光强度归一化数据处理模块：对图像P1与P2内所有荧光点强度差做归一化处理，得到图像P3；P3内的亮斑即为该区域与A色心同方向的色心；至此该区域内与A色心同方向的色心即被确认筛选出来。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)本发明方法与传统逐个确认NV色心方向不同，在实际操作中，按照本发明提出的流程，一次操作，可以将大量同方向的色心批量确认筛选出来，大大提升利用NV色心阵列进行量子信息处理与量子传感应用的效率。
(2)本发明提出的方法具有普适性。比如同样适用于金刚石内其它色心(如SiV、GeV色心等)和其它固态晶体内的自旋缺陷方向确认(如SiC晶体中的NCVS，VV色心等)。
附图说明
图1：金刚石晶格内的NV色心分布在四种不同的方向上示意图；
图2：金刚石中NV色心阵列的荧光图；
图3：NV色心能级结构示意图；
图4：NV色心在磁场为零和非零条件下的光探测磁共振谱示意图，其中，图4(a)为零场条件下的光探测磁共振谱，图4(b)为非零磁场条件下的光探测磁共振谱；
图5：金刚石内同方向NV色心确认实验装置示意图；
图6：金刚石内同方向NV色心确认方法实施例示意图，其中，图6(a)为待确认区域荧光图像P1，其中亮斑多为单色心。图6(b)为A点在磁场为0和磁场不为0条件下的光探测磁共振谱，图6(c)为外加连续共振微波条件下的荧光图像P2，图6(d)为荧光强度归一化处理后的荧光图像P3。
具体实施方式
结合荧光成像与光探测磁共振技术，本发明提出一种金刚石内同方向氮-空位(NV)色心的高效确认方法，将在量子信息与量子传感等领域获得应用。
本发明基本原理：
仅考虑在外磁场作用条件下，使用量子物理学知识，NV色心自旋的基态哈密顿量可以描述为：
Figure BDA0002640853800000041
其中第一项为零磁场分裂项，D＝2.87GHz。第二项与金刚石内部NV色心周围的应力或电场有关，在无电场且忽略应力的条件下E＝0。第三项为磁场导致的Zeeman分裂项。如图3所示为NV色心的能级结构示意图，基态为自旋三态。在不考虑应力和外界电磁场为0的条件下mS＝±1是简并的。
图4(a)和图4(b)所示，当使用激光对NV色心进行激发时，在饱和激发状态下，处于mS＝0态的荧光强度要比mS＝±1的情况下强30％，据此可以实现状态读取。当外加微波场频率与
Figure BDA0002640853800000042
跃迁频率一致时，会产生能级跃迁。通过记录不同微波频率下荧光强度，可以观测到跃迁频率。由哈密顿量第三项可以知道，其大小与NV色心与外磁场的夹角有关，这是本发明方法的原理依据。
如图5所示，金刚石内的NV色心被激发光激发，其辐射的荧光经滤波后被单光子探测器收集。通过记录样品不同位置的荧光辐射强度情况可以得到NV色心的荧光图像。图2为荧光成像系统对NV色心的成像。在NV色心附近外加微波天线，天线与微波源相连，其辐射的微波场可以实现基态能级之间的跃迁操控。微波结合荧光成像系统可以实现对任意位置色心的光探测磁共振。而外加的磁场B可以使得mS＝±1退简并,结合荧光收集与微波频率扫描，可以记录不同磁场条件下的共振情况，得到相应的光探测磁共振谱。
基于上述原理，本发明提出一种金刚石内同方向色心的高效确认方法，具体包含如下步骤与流程：
1、对金刚石内待确认的任意区域进行荧光成像，得到图像P1，得到该区域内色心位置分布；
2、在图像P1中选取任意一单色心，命名并标记为A。
3、对该金刚石施加一任意非零磁场B，测量该磁场条件下A点的光探测磁共振谱ODMR_A,记录两个磁共振峰的位置，E_A1和E_A2。
4、保持磁场不变，对金刚石样品施加频率为E_A1(或E_A2)的连续微波，并再次测量待确认区域(同步骤1中区域)的荧光图像，得到图像P2。
5、由公式
Figure BDA0002640853800000051
计算图像P1中各荧光点相对于P2中各荧光点的荧光强度减少量，并以图像P1为参考做归一化处理，得到图像P3。荧光点即为单色心。
6、P3内的亮斑即为该区域与A色心同方向的色心。至此该区域内与A同方向的色心即被确认筛选出来。亮斑是指归一化处理后呈现圆形或类圆形的光斑，不包括由于噪声导致的亮点。
7、重复步骤2-6，获得另外几个方向的色心。
在实际操作中，按照本发明提出的流程，一次操作，可以将大量同方向的色心确认筛选出来。本发明将大大提升利用NV色心阵列进行量子信息处理与量子传感应用的效率。本发明提出的方法也同样适用于金刚石内其它色心(如SiV、GeV色心等)和其它固态晶体内的自旋缺陷方向确认(如SiC晶体中的NCVS，VV色心等)。
实施例：
1、对任意10×10μm2的区域进行荧光成像，得到图6(a)所示荧光图。图内的亮点即为NV色心且多为单色心。
2、选取任意一单色心，命名并标记为A。
3、施加一任意非零磁场B，测量该磁场条件下A点的光探测磁共振谱ODMR_A,记录两个磁共振峰的位置，E_A1＝2.794GHz和E_A2＝2.949GHz。如图6(b)所示。
4、保持磁场不变，对金刚石样品施加频率为E_A1＝2.794GHz的连续微波，并再次测量待确认区域(同图6(a)区域)的荧光图像，得到图像图6(c)。
5、由公式
Figure BDA0002640853800000061
对图6(a)图6(c)图内所有荧光点荧光强度做归一化处理，并得到图6(d)所示图像。其中Ia是图6(a)内色心的荧光强度，Ic是图6(c)内色心的荧光强度。
图6(d)内的圆形和类圆形亮斑即为该区域内与A色心同方向的色心。至此该区域内与A同方向的色心即被一次性确认筛选出来。分别标记为B、C、D和E。接近该区域内色心总数量的1/4。
可以看出，本发明将大大提升利用NV色心阵列进行量子信息处理与量子传感应用的效率。
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (10)

1.一种金刚石内同方向色心的高效确认方法，其特征在于步骤如下：
(1)对金刚石内待确认的任意区域进行荧光成像，得到图像P1，得到该区域内单色心位置分布；
(2)在图像P1中选取任意一个单色心，标记为A；
(3)对该金刚石施加一任意非零磁场B，测量该磁场条件下A色心的光探测磁共振谱ODMR_A,记录两个磁共振峰的位置E_A1和E_A2；
(4)保持磁场B不变，对金刚石施加频率为E_A1或E_A2的连续微波，并再次测量步骤(1)中所述区域的荧光图像，得到图像P2；
(5)计算图像P1中各荧光点相对于P2中各荧光点的荧光强度减少量，并以图像P1为参考做归一化处理，得到图像P3；
(6)P3内的色心亮斑即为该区域与A色心同方向的色心；至此该区域内与A色心同方向的色心即被确认筛选出来；
(7)重复步骤2-6，确定另外几个方向的色心。
2.根据权利要求1所述的一种金刚石内同方向色心的高效确认方法，其特征在于：步骤(5)中所述荧光点即为单色心。
3.根据权利要求2所述的一种金刚石内同方向色心的高效确认方法，其特征在于：步骤(5)所述计算图像P1中各荧光点相对于P2中各荧光点的荧光强度减少量，并以图像P1为参考做归一化处理，通过如下公式进行：
Figure FDA0002640853790000011
其中，IP1是图像P1内色心的荧光强度，IP2是图像P2内对应P1中同位置的色心的荧光强度。
4.根据权利要求1所述的一种金刚石内同方向色心的高效确认方法，其特征在于：步骤(6)中所述亮斑是指归一化处理后呈现圆形或类圆形的光斑。
5.根据权利要求1所述的一种金刚石内同方向色心的高效确认方法，其特征在于：所述色心为金刚石内NV色心、SiV色心或者GeV色心。
6.一种根据权利要求1所述的金刚石内同方向色心的高效确认方法实现的同方向色心确认系统，其特征在于包括：
第一荧光成像模块：对金刚石内待确认的任意区域进行荧光成像，得到图像P1，得到该区域内单色心位置分布；在图像P1中选取任意一个单色心，标记为A；
磁共振模块：对该金刚石施加一任意非零磁场B，测量该磁场条件下A点的光探测磁共振谱ODMR_A,记录两个磁共振峰的位置E_A1和E_A2；
第二荧光成像模块：保持磁场B不变，对金刚石施加频率为E_A1或E_A2的连续微波，并再次测量同一区域的荧光图像，得到图像P2；
荧光强度归一化数据处理模块：对图像P1与P2内所有荧光点强度差做归一化处理，得到图像P3；P3内的亮斑色心即为该区域与A色心同方向的色心；至此该区域内与A色心同方向的色心即被确认筛选出来。
7.根据权利要求6所述的金刚石内同方向色心的确认系统，其特征在于：所述色心为金刚石内NV色心、SiV色心或者GeV色心。
8.根据权利要求6所述的金刚石内同方向色心的确认系统，其特征在于：所述荧光点即为单色心。
9.根据权利要求6所述的金刚石内同方向色心的确认系统，其特征在于：计算图像P1中各荧光点相对于P2中各荧光点的荧光强度减少量，并以图像P1为参考做归一化处理，通过如下公式进行：
Figure FDA0002640853790000021
其中，IP1是图像P1内色心的荧光强度，IP2是图像P2内对应P1中同位置的色心的荧光强度。
10.根据权利要求6所述的金刚石内同方向色心的确认系统，其特征在于：所述亮斑是指归一化处理后呈现圆形或类圆形的光斑。
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