CN112362683B - 一种金刚石中自旋缺陷浓度的精确标定方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种金刚石中自旋缺陷浓度的精确标定方法，该方法将含有目标缺陷的微粒悬浮在真空腔室中；然后将目标缺陷自旋极化，使宏观微粒表现出磁矩；然后测量微粒在磁场中的进动角加速度，得到总力矩，进而推算有效自旋个数及对应的自旋缺陷浓度。本发明的方法可以实现微粒中缺陷浓度精确测量，并且本发明所使用到的方法可以拓展应用与宏观物体与自旋量子态耦合等复合量子体系研究。
Description
技术领域
本发明涉及材料检测、地磁分析领域，具体涉及一种金刚石中自旋缺陷浓度的精确标定方法。
背景技术
在材料科学领域中，研究者常常需要在晶体材料中掺杂或生长特定浓度的自旋缺陷以实现某些特定的研究需求。例如在金刚石或者碳化硅(SiC)晶体中掺杂NV色心、SiV色心、GeV等色心缺陷用于量子科学领域的传感、计算以及通信等研究。材料中掺杂或生成某种缺陷的含量和浓度是材评判材料制备是否满足要求的重要指标。
现有的几种主流的分析技术如下：
(1)XPS光谱是通过用X射线束照射固体表面并测量从材料的顶部1-10nm发射的电子的动能而获得的。通过计算在一定动能范围内喷射的电子来记录光电子能谱。光电子峰的能量和强度可以识别和定量所有表面元素，这种分析方法只能实现表面分析，无法做到深层缺陷分析；
(2)采用拉曼光谱分析的方法可以实现深层分子结构分析，但这种分析往往只能是定性的结果，同时多种分子结构的堆叠容易造成含量较小的分子结构被淹没；
(3)ICP-AES/OES通过将样品雾化后在等离子体中加热使小样品变成单个原子，并且使之电离和激发，通过探测发射光谱得到精确的元素分析，这种方法分析的精度高，但是仅适用于元素容量的测量，无法测量特定分子结构；
(4)质谱仪是先将物质离子化,按离子的质荷比分离,然后测量各种离子谱峰的强度而实现分析目的一种分析方法，这种方法测量的精度高，但是也只适用于单个原子、分子或者颗粒测量，对于特定结构中的缺陷结构无法测量；(5)能量色散X射线谱通过测量不同元素的X射线谱实现样品组分分析，这种分析方法也是一种定性的方法。
在实际应用中缺少材料中特定结构缺陷如金刚石中色心浓度、量子点密度等缺少必要的精密测量手段。以金刚石中的NV色心浓度标定为例，通常对于高浓度的NV缺陷，研究者获得其含量信息的主要途径有两种：(1)通过质谱等方法得到N元素的含量，在根据NV色心形成的概率约10:1来推算NV的浓度，这种方法常常会造成较大的推算误差，因为不同的N元素掺杂和退火过程会导致不同的NV形成概率；(2)通过待测样品荧光强度与单个色心对比，推断NV色心含量，由于激发光很难做到对每个色心均匀，不同色心的荧光寿命不同，以及不同NV荧光辐射模式不同，导致推测不准确。因此对于特定结构缺陷缺少精确的标定方法。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提出一种通过微粒外部运动与内部自旋耦合实现自旋缺陷浓度精确标定的方法，具体技术方案如下：
一种金刚石中自旋缺陷浓度的精确标定方法，该方法具体包括如下步骤：
(1)在真空腔室中悬浮含有目标缺陷的金刚石微粒；
(2)将目标缺陷自旋极化，使宏观微粒表现出磁矩；
(3)测量宏观微粒在磁场中的进动角加速度
然后根据
得到总力矩；其中，I表示金刚石的转动惯量；
(4)通过色心在磁场B中的频谱来确定待测轴向色心的轴向与磁场的夹角θ，再根据下式得到色心缺陷个数为n
其中，
表示电子磁矩；
(5)根据下式计算NV色心缺陷浓度d
d＝n/V
其中，V为金刚石的体积。
进一步地，所述的步骤(1)中，采用光阱或paul阱悬浮含有目标缺陷的金刚石微粒。
进一步地，当标定金刚石中的NV色心或SiV色心时，所述的步骤(2)具体为：先通过激光辐照极化，再利用微波将自旋态操纵到有磁矩的自旋态，最终实现将缺陷自旋极化到有磁矩的量子态，使宏观微粒表现出磁矩。
进一步地，当标定金刚石中的NV色心且当磁场B＜＜500G时，所述的步骤(4)中的NV轴向与磁场方向的夹角θ的计算公式如下：
Δ＝γeBII＝γeBcosθ
其中，Δ表示NV色心共振谱在磁场B中相对零场劈裂的偏移，γe表示NV色心电子自旋的旋磁比。
进一步地，所述的步骤(3)中，通过微粒转动引起的散射光变化信息得到角加速度
进一步地，当微粒为不规则形状的微粒时，所述的角加速度
通过粒子引起的散射光偏振变化测量。
进一步地，对于微米级以上尺寸的微粒，所述的角加速度
通过测量金刚石颗粒对光线反射角的影响测得。
本发明的有益效果如下：
(1)本发明可以实现金刚石微粒中自旋缺陷个数的精确标定，利用金刚石中的缺陷色心进行量子传感和量子计算研究是当前量子技术领域的热点，对系综金刚石样品中色心的准确标定有利于加工具有特定自旋缺陷密度的金刚石微粒样品以实现诸如高分辨的量子传感、集成化量子器件。
(2)在悬浮振子系统中耦合自旋缺陷量子系统，对于研究宏观量子态等具有重要意义。在这种复合系统中，对悬浮微粒中自旋缺陷的浓度标定有益于准确的推导宏观量子态参数。
(3)本发明中的自旋缺陷标定方法，可以分别认标定金刚石中各个晶格方向缺陷的浓度，可以为制备具有特定轴向的自旋缺陷的金刚石微粒提供检测工具。
附图说明
图1为本发明所依据基本原理的示意图，其中，图1a表示自旋指向杂乱无章，微粒整体对外界磁场不明感，无系统磁矩的示意图；图1b自旋被极化后，微粒具有剩余磁矩，在磁场的作用下产生进动的示意图；
图2为金刚石NV结构示意图及四个轴向NV对应的共振谱示意图，其中图2的左图展示的是一个N替位原子和一个C空位配对形成一个NV缺陷中心，右图展示了光探测磁共振技术测得的四个轴向NV色心共振谱的示意图；
图3为本发明的方法的流程示意图；
图4为利用光阱悬浮含有NV色心缺陷的金刚石颗粒的装置结构示意图；
图5为基于图4的测量装置的旋转角度测量示意图。
具体实施方式
下面根据附图和优选实施例详细描述本发明，本发明的目的和效果将变得更加明白，应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1a所示，当金刚石被极化前，金刚石自旋指向杂乱无章，微粒整体对外界磁场不敏感，无系统磁矩；如图1b所示，当金刚石自旋被极化后，微粒具有剩余磁矩，在磁场的作用下产生进动，进动频率与原子的总力矩有关。
如图2所示，左图为金刚石NV缺陷中心，由一个N替位原子和一个C空位配对形成。右图展示了光探测磁共振技术测得的四个轴向NV色心共振谱。
如图3所示，为本发明的金刚石中自旋缺陷浓度的精确标定方法的流程图，该方法具体包括如下步骤：
(1)在真空腔室中悬浮含有目标缺陷的金刚石微粒；
(2)将目标缺陷自旋极化，使宏观微粒表现出磁矩；
(3)测量宏观微粒在磁场中的进动角加速度
然后根据
得到总力矩；其中，I表示金刚石的转动惯量；
(4)通过色心在磁场B中的频谱来确定待测轴向色心的轴向与磁场的夹角θ，再根据下式得到色心缺陷个数为n
其中，
表示电子磁矩；
(5)根据下式计算NV色心缺陷浓度d
d＝n/V
其中，V为金刚石的体积。
图4给出了实现本发明的标定方法的装置，如图4所示，该装置包括第一激光器1、第二激光器2、第一光调制器3、第二光调制器4、分束器5、合束器6、物镜7、金刚石颗粒8、透镜9、第一光电探测器10、第二光电探测器11、微波源12、微波调制器13、微波天线14、双色片15、荧光探测器16、控制显示系统17、真空腔18、电磁铁19；
其中，第一激光器1出射捕获激光，经过第一光调制器3后进入分束器5，分出第一路光束和第二路光束；第一路光束进入第二光电探测器11，第二光电探测器11与控制显示系统17连接；
第二激光器2出射用于金刚石自旋缺陷激发的光信号，依次经过第二光调制器4、双色片15后，与所述的第二分光束一起经合束器6合束进入物镜7；
第一激光器1的光信号经物镜7汇聚后形成捕获微纳米级尺寸的金刚石颗粒的光阱，也即形成光镊，其前向光依次经过微纳米级尺寸的金刚石颗粒、透镜9进入用于金刚石颗粒位置探测的第一光电探测器10，第一光电探测器10与控制显示系统17连接；
第二激光器2产生的激光经过经物镜7后汇聚成用于微纳米级尺寸的金刚石颗粒自旋缺陷激发的光信号，其照射金刚石颗粒的缺陷产生的荧光被物镜7收集，原路返回经过合束器6反射，再经过双色片15与原光路分离，被荧光探测器16收集；
第一光调制器3和第二光调制器4分别用于控制第一激光器1和第二激光器2产生的激光信号的强度或开关调制；第一光电探测器10和第二光电探测器11的信号反映金刚石颗粒运动引起的光强变化，经过控制显示系统17处理后可以输出金刚石颗粒位置信息，用于追踪颗粒在光阱中的运动过程，进而实现对环境力场和加速度场的探测；
微波源12产生的微波信号经过微波调制器13传输到微波天线14上，用于微纳米级尺寸的金刚石颗粒的自旋缺陷的量子态操纵；
微波调制器13用于控制微波源12产生的微波信号的强度或开关调制；真空腔18用于减少环境气体对微粒的碰撞，提高旋转角度的测量精度；电磁铁19用于产生外磁场。
控制显示系统17用于整个装置中各信号源的输出以及光电信号的采集和处理，从而得到各个物理参数。
下面以金刚石NV色心为例，介绍使用图4中的装置进行金刚石中自旋缺陷浓度的精确标定的工作过程如下：
首先打开第一激光器1，在真空腔18中形成光阱，然后向光阱区域投送待测金刚石微粒。利用电磁铁19在光阱区域形成一个偏置磁场，然后通过光探测磁共振技术探测各个轴向NV色心对应的磁共振谱，得到目标轴向NV色心与外磁场的夹角θ。然后利用如图5的循环探测序列实现金刚石微粒旋转角度的精确测量，开启第二激光器2和微波源12，通过第一光调制器3和微波源12，首先将NV色心初始化到0态，然后通过微波共振操作将NV色心操纵到具有磁矩的1态；然后通过测量照射到第一光电探测器10和第二光电探测器11上散射光的变化测量微粒在空间坐标系中的旋转角加速度
最后通过数学运算得到金刚石微粒中目标轴向NV缺陷总数n和NV色心缺陷浓度d。
分别对四个轴向的NV色心实施上述实验步骤可以最终得到金刚石微粒中各方向NV色心缺陷的个数和浓度。
本领域普通技术人员可以理解，以上所述仅为发明的优选实例而已，并不用于限制发明，尽管参照前述实例对发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实例记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在发明的精神和原则之内，所做的修改、等同替换等均应包含在发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种金刚石中自旋缺陷浓度的精确标定方法，其特征在于，该方法具体包括如下步骤：
(1)在真空腔室中悬浮含有目标缺陷的金刚石微粒；
(2)将目标缺陷自旋极化，使宏观微粒表现出磁矩；
(3)测量宏观微粒在磁场中的进动角加速度
然后根据
得到总力矩；其中，I表示金刚石的转动惯量；
(4)通过色心在磁场B中的频谱来确定待测轴向色心的轴向与磁场的夹角θ，再根据下式得到色心缺陷个数为n
其中，
表示电子磁矩；
(5)根据下式计算NV色心缺陷浓度d
d＝n/V
其中，V为金刚石的体积。
2.根据权利要求1所述的金刚石中自旋缺陷浓度的精确标定方法，其特征在于，所述的步骤(1)中，采用光阱或paul阱悬浮含有目标缺陷的金刚石微粒。
3.根据权利要求1所述的金刚石中自旋缺陷浓度的精确标定方法，其特征在于，当标定金刚石中的NV色心或SiV色心时，所述的步骤(2)具体为：先通过激光辐照极化，再利用微波将自旋态操纵到有磁矩的自旋态，最终实现将缺陷自旋极化到有磁矩的量子态，使宏观微粒表现出磁矩。
4.根据权利要求1所述的金刚石中自旋缺陷浓度的精确标定方法，其特征在于，当标定金刚石中的NV色心且当磁场B<<500G时，所述的步骤(4)中的NV轴向与磁场方向的夹角θ的计算公式如下：
Δ＝γeB||＝γeBcosθ
其中，Δ表示NV色心共振谱在磁场B中相对零场劈裂的偏移，γe表示NV色心电子自旋的旋磁比。
5.根据权利要求1所述的金刚石中自旋缺陷浓度的精确标定方法，其特征在于，所述的步骤(3)中，通过微粒转动引起的散射光变化信息得到角加速度
6.根据权利要求1所述的金刚石中自旋缺陷浓度的精确标定方法，其特征在于，当微粒为不规则形状的微粒时，所述的角加速度
通过粒子引起的散射光偏振变化测量。
7.根据权利要求1所述的金刚石中自旋缺陷浓度的精确标定方法，其特征在于，对于微米级以上尺寸的微粒，所述的角加速度
通过测量金刚石颗粒对光线反射角的影响测得。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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