CN115201169A - 一种单nv色心中电子和核自旋极化的方法及其实现装置 - Google Patents

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CN115201169A CN202210833169.XA CN202210833169A CN115201169A CN 115201169 A CN115201169 A CN 115201169A CN 202210833169 A CN202210833169 A CN 202210833169A CN 115201169 A CN115201169 A CN 115201169A
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Abstract

本发明涉及一种单NV色心中电子和核自旋极化的方法及其实现装置，本发明提供的极化方法可以同时实现单个NV色心中电子自旋和核自旋的极化，极化率可达95％以上。极化过程无需使用NV系综标定磁场角度，磁场大小与方向通过调节磁体位置改变，角度精度优于0.6度，省去了结构复杂的亥姆霍兹线圈及冷却措施。本发明提供的装置结构设计较为简洁，装置成本较低，而且具有极佳的稳定性，定位于单色心后可以长时间稳定采集荧光信息，可保证1小时内荧光强度波动小于6％，饱和计数率为150k counts/s。

Description

一种单NV色心中电子和核自旋极化的方法及其实现装置
技术领域
本发明涉及一种单NV色心中电子和核自旋极化的方法及其实现装置，属于金刚石氮空位色心中自旋状态操控技术领域。
背景技术
金刚石由碳原子组成，当一个氮原子取代一个碳原子，并且在临近位置有一个空位缺陷时，则形成单个NV色心，如图1所示，图中谷值低于0.5即认为是单个色心。NV色心是金刚石中的一种发光点缺陷，英文nitrogen-vacancy center。使用532nm波长激光照射后，可发出637nm中心波长的荧光。金刚石氮空位色心体系在室温下退相干时间长达毫秒量级，可用激光实现自旋状态初始化，并可根据荧光的强弱读取自旋状态。氮空位色心中的电子自旋、氮14核自旋及周围随机分布的碳13核自旋可做为量子比特，为量子系统的扩展提供了可能性。正因为该体系的诸多优点，氮空位色心体系可用于量子传感、量子存储、量子模拟等多个领域，具有广泛的应用前景。
在量子计算与模拟领域，需要将单个NV色心中的电子自旋和核自旋同时极化到某一状态，制备特定的初始状态，这就需要沿着NV轴向(氮原子与空位连成的直线)施加一定强度的外磁场。磁场角度可用系综色心测量得到，现有测量方案并不适用于单个NV色心；且如果使用线圈施加磁场，结构会很复杂且需要额外的冷却措施。
另外由于需要色心发出的荧光信号辅助外磁场的调节，需要设计高稳定性的荧光收集装置。当前众多荧光收集装置一般适用于多个色心组成的系综体系，该体系大小为微米量级，对荧光收集装置的性能要求较小。而在量子存储、量子模拟方面，实验中一般使用单个色心，这就带来一系列挑战。首先，单个色心大小为原子尺度，当激光聚焦位置偏离色心十几纳米时，荧光信号就会明显减小。其次，由于受到显微镜物镜数值孔径的限制，收集系统的收集效率不高，只能收到色心发出的很小部分的荧光信号。为了减小噪声对实验数据的影响，得到可信的实验数据，需要长时间准确定位色心位置采集荧光信号，长时间采集过程中温度的变化及设备的震动会导致实验数据的不理想。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供了一种单NV色心中电子和核自旋极化的方法及其实现装置。本发明提供的极化方法可以同时实现单个NV色心中电子自旋和核自旋的极化，极化率可达95％以上。极化过程无需使用NV系综标定磁场角度，磁场大小与方向通过调节磁体位置改变，角度精度优于0.6度，省去了结构复杂的亥姆霍兹线圈及冷却措施。
本发明的技术方案为：
一种单NV色心中电子和核自旋极化的方法，极化方法包括：
(1)沿着Z轴方向对物镜进行μm量级粗略对焦，再从X和Y轴方向上对载有金刚石的微波天线进行μm量级粗调，从而使得激光光束大致聚焦在金刚石上；
(2)沿着Z轴方向上对载有金刚石的微波天线进行nm量级的精细调节，使得金刚石受激发出的荧光强度最强，从而确定微波天线在Z轴方向的位置；
(3)通过永磁体对金刚石施加磁场，初步确定永磁体的水平角度θ和垂直角度φ，使得永磁体在金刚石色心位置的磁场方向与NV轴大致平行；以金刚石所在光学平台为基准，当转动轴垂直光学平台时，绕此轴的转动角度为水平角度θ；当转动轴平行光学平台时，绕此轴的转动角度为垂直角度φ；
(4)从X、Y轴两个方向上对金刚石的微波天线进行nm量级的精细调节，使得金刚石受激发出的荧光强度最强，从而确定微波天线在X、Y轴方向的位置，最终使得激光光束准确聚焦在金刚石的NV色心上；
(5)根据需要施加磁场的大小，确定永磁体在Z轴方向的位置；再调节永磁体的横、纵坐标使得金刚石受激发出的荧光强度最强，确定永磁体在X、Y轴方向的位置，从而使得永磁体在色心位置的磁场方向与NV轴平行；
(6)调节施加在NV色心的微波频率，光探测磁共振图像中|ms＝0，mI＝1>对应谷的信号增强，|ms＝0，mI＝-1>和|ms＝0，mI＝0>两个能级对应的谷的信号淹没在噪声中，当光探测磁共振图像中|ms＝0，mI＝1>能级状态的自旋极化率为超过95％，则认为实现了单NV色心中电子自旋和核自旋状态的极化。
单个NV色心对应电子自旋基态哈密顿量
Figure BDA0003746351250000031
γe表示电子旋磁比，S表示电子自旋，B表示外加磁场，D表示零场劈裂，Sz表示电子自旋在Z方向的分量。
NV色心基态具有电子自旋磁量子数ms＝0，±1对应的三个能级，处于ms＝0能级时荧光强度较大，处于ms＝±1能级时，荧光强度较小；实验中一般只使用ms＝0，-1两个能级。
氮14核自旋磁量子数mI＝0，±1，氮14核自旋与NV色心电子自旋相互作用后，得到|ms＝0，mI＝0>、|ms＝0，mI＝1>|ms＝0，mI＝-1>、|ms＝-1，mI＝0>、|ms＝-1，mI＝0，+1>和|ms＝-1，mI＝0，-1>六个能级状态；不加磁场时，使用激光极化后，NV色心在|ms＝0，mI＝0，±1>三个能级上均有布居数分布。在NV轴向施加一定强度范围的高斯磁场，激光极化后，色心状态极化为|ms＝0，mI＝1>。进行自旋极化首先需要精确对准NV轴施加大磁场，磁场由加在多维位移台上的永磁体施加。
此外，NV轴无法通过简易方式测得，本申请提供了使得NV轴与磁场方向重合的调节方式，即使用荧光信号确定磁场方向，定义NV轴为z方向，当磁场方向与NV轴共线或者垂直z方向磁场强度较小(几高斯)时，只需关注电子自旋z方向的分量，能级状态如上所述，激光极化后，色心处于荧光最强的状态上。如果垂直z方向磁场强度较大，色心基态能级即为ms对应三个能级的混态，荧光强度变小。扫描定位色心后，先固定水平角度θ和垂直角度φ，通过控制三维位移台不断调节磁铁位置，观察荧光强度变化。重复这一过程，直到找到荧光最强时磁铁的位置，通过调节磁铁与色心的距离改变施加的外磁场大小。可以得到荧光强度随磁铁位置变化的图像，颜色深度代表荧光强度，当荧光强度最大时，磁场与NV轴的夹角达到最小，色心状态极化为|ms＝0，mI＝1>。
自旋的极化率定义为
Figure BDA0003746351250000041
P|0，1>表示|ms＝0，mI＝1>能级状态的荧光强度，P|0，-1>表示|ms＝0，mI＝-1>能级状态的荧光强度，P|0，0>表示|ms＝0，mI＝0>能级状态的荧光强度；自旋极化率可以通过光探测磁共振实验得到，通过改变施加给NV色心的微波频率，当频率恰好对应|ms＝0，mI＝-1>与|ms＝-1，mI＝-1>、|ms＝0，mI＝0>与|ms＝-1，mI＝0>、|ms＝0，mI＝1>与|ms＝-1，mI＝1>三对能级的能级差时，荧光强度变弱。
当光探测磁共振图像中出现三个谷时，表明色心中自旋分别以一定概率处于ms＝0，mI＝0，-1>、|ms＝0，mI＝0，0>和|ms＝0，mI＝0，1>三个状态。加上合适的磁场后，光探测磁共振图像中|ms＝0，mI＝1>对应谷的信号增强，另外两个谷的信号淹没在噪声中，当自旋极化率为95％，则认为将色心中电子自旋和核自旋的状态极化。
根据本发明优选的，步骤(5)中，根据需要施加磁场的大小，确定永磁体在Z轴方向的位置，具体过程为：当永磁体位于Z轴方向的某一位置时，调节施加在NV色心上的微波频率，光探测磁共振图像中间谷对应的微波频率计算出磁场强度，具体为：磁场强度
Figure BDA0003746351250000042
γe表示电子旋磁比，D表示零场劈裂，
Figure BDA0003746351250000043
为中间谷的频率。
进一步优选的，在NV轴向施加440到1000高斯磁场，激光极化后，色心状态极化为|ms＝0，mI＝1>。外加较大磁场时，磁场和NV轴呈的夹角对荧光强度影响较大。当夹角接近于零时，荧光强度最大；夹角较大时，NV色心自旋状态变为混态，荧光强度降低。通过控制位移台不断调节磁铁位置与方向，观察荧光强度变化。当荧光强度最大时，磁场与NV轴的夹角达到最小，角度精度可优于0.6度，外加磁场强度变化小于10ppm。
一种单NV色心中电子和核自旋极化的方法的实现装置，用于实现上述单个NV色心中自旋的极化方法，该装置包括激光激发模块、二色向镜、金刚石扫描及物镜调焦模块、微波设备、静磁场模块和荧光收集模块；
激光激发模块包括依次设置的激光器、声光调制器和第一透镜组，声光调制器作为光开关控制激光的输出，再经过第一透镜组将声光调制器输出的激光整形为4mm直径的平行激光光束；
金刚石扫描及物镜调焦模块包括宽带反射镜、物镜、Z轴机械位移台、XY轴机械位移台和压电平台；XY轴机械位移台设置在Z轴机械位移台的上方，宽带反射镜和物镜沿着光路依次设置在Z轴机械位移台上，Z轴机械位移台用于在Z轴方向上对物镜进行μm量级粗略对焦；压电平台设置在XY轴机械位移台上，压电平台用于固定载有金刚石的微波天线，并对载有金刚石的微波天线在X、Y、Z三个方向上进行nm量级的精细调节，准确定位金刚石色心；XY机械位移台用于对载有金刚石的微波天线在X、Y方向上进行μm量级调节；
微波设备用于向微波天线输入微波，对电子的自旋状态进行操控；
静磁场模块用于对金刚石施加磁场，通过调节磁场与NV轴之间的夹角，使得金刚石受激发输出的荧光强度最大；
荧光收集模块包括第二透镜组、第三透镜组、第一自由空间探测器、第二自由空间探测器和50:50BS分束器，经过50:50BS分束器的分束后，一部分荧光经过第二透镜组整形，出射到第一自由空间光电探测器；另一部分荧光经过第三透镜组整形，出射到荧光入射第二自由空间光电探测器；
激光激发模块发出的激光通过二色向镜的反射，再经过金刚石扫描及物镜调焦模块中宽带反射镜反射到物镜上，然后入射到载有金刚石的微波天线上，对金刚石进行激发，金刚石受激产生荧光，荧光再依次经过物镜、宽带反射镜、二色向镜入后，透射到荧光收集模块进行荧光收集。
根据本发明优选的，静磁场模块包括五维电动位移台和永磁体，五维电动位移台包括XYZ三维电动位移台和两个旋转位移台，
XYZ三维电动位移台用于X、Y、Z三个方向上调节永磁体与NV色心之间的距离，进而实现对磁场强度的调节；
旋转位移台包括水平角度位移台和垂直角度位移台；水平角度位移台用于对永磁体的水平角度θ进行调节；垂直角度位移台用于对永磁体的垂直角度φ进行调节；
永磁体固定在水平角度位移台上，并且永磁体处于金刚石的上方。
XYZ三维电动位移台为卓立汉光的LA50电动位移台，两个角度调节为AKR系列旋转位移台。
根据本发明优选的，永磁体为稀土铷铁硼磁体。
根据本发明优选的，压电平台和XY轴机械位移台的中心均开设有通光孔，并且压电平台上通光孔的中心、XY轴机械位移台上通光孔的中心和Z轴机械位移台的中心位于同一条垂线上。
根据本发明优选的，压电平台的X、Y、Z轴的行程均为80μm，位置分辨率3nm，用于X、Y、Z方向上实现纳米级别的精细调节，准确定位NV色心。
根据本发明优选的，XY两轴机械位移台中每轴的行程为10cm，位移最高精度为10μm；Z轴机械位移台的行程7cm，位移最高精度为10um。
根据本发明优选的，金刚石扫描及物镜调焦模块为对称结构，采用铝合金及不锈钢材质。
根据本发明优选的，该装置的中的压电平台、五轴电动位移台、微波设备、声光调制器、第一自由空间探测器、第二自由空间探测器由上位机中自编写python平台上位机软件控制，并且由脉冲信号发生器控制各个设备的开关顺序。
根据本发明优选的，该装置的外面覆盖隔温材料，隔温材料选用硬质泡沫板。保持装置内温度稳定，减少测试过程中温度波动对信号采集的影响。
本发明的有益效果为：
1.本发明提供的单个NV色心中自旋的极化方法，可以同时实现单个NV色心中电子自旋和核自旋的极化，极化率可达95％以上。极化过程无需使用NV系综标定磁场角度，磁场大小与方向通过调节磁体位置改变，磁场强度范围从440高斯到1024高斯，磁场强度变化优于10ppm，磁场方向可通过内部算法调节，角度精度优于0.6度，省去了结构复杂的亥姆霍兹线圈及冷却措施。
2.本发明提供的装置使用常见的金属材质，结构设计较为简洁，加工过程较为简单，装置成本较低。此套装置具有极佳的稳定性，定位于单色心后可以长时间稳定采集荧光信息，可保证1小时内荧光强度波动小于6％，饱和计数率为150k counts/s。
附图说明
图1为荧光收集模块接收到的荧光信号强度随时间的变化示意图；
图2为本发明提供的一种单NV色心中电子和核自旋极化的方法的实现装置的结构示意图；
图3为荧光信号强度随磁铁XY维度位置变化的示意图；
图4为未施加磁场时的光探测磁共振图像；
图5为施加磁场时的光探测磁共振图像；
图6荧光信号强度随金刚石XY维度位置变化的示意图；
图7荧光信号强度随金刚石XZ维度位置变化的示意图。
1、压电平台，2、XY机械位移台，3、物镜，4、Z轴机械位移台5、宽带反射镜，6、激光器，7、声光调制器，8、第一透镜组，9、二色向镜，10、第二透镜组，11、第一自由空间探测器，12、第二自由空间探测器，13、第三透镜组，14、50：50BS分束器，15、五轴电动位移台，16、永磁体，17、微波设备。
具体实施方式
下面结合实施例和说明书附图对本发明做进一步说明，但不限于此。
实施例1
一种单NV色心中电子和核自旋极化的方法，极化方法包括：
(1)沿着Z轴方向对物镜3进行μm量级粗略对焦，再从X和Y轴方向上对载有金刚石的微波天线进行μm量级粗调，从而使得激光光束大致聚焦在金刚石上；
(2)沿着Z轴方向上对载有金刚石的微波天线进行nm量级的精细调节，使得金刚石受激发出的荧光强度最强，如图7所示，从而确定微波天线在Z轴方向的位置；
(3)通过永磁体16对金刚石施加磁场，初步确定永磁体16的水平角度θ和垂直角度φ，使得永磁体16在金刚石色心位置的磁场方向与NV轴大致平行；以金刚石所在光学平台为基准，当转动轴垂直光学平台时，绕此轴的转动角度为水平角度θ；当转动轴平行光学平台时，绕此轴的转动角度为垂直角度φ；
步骤(3)中，根据金刚石的晶面方向，初步确定永磁体16的水平角度θ和垂直角度φ，具体过程为：从elementsix公司购买的金刚石为{100}晶面切割，一块金刚石中有多个色心，金刚石中色心的NV轴有四种取向，每种NV轴取向与晶面呈约35.3度夹角，且NV轴与金刚石的一个侧面平行。首先使用高斯计大致测量磁铁外磁场分布，然后将约300高斯的磁场大致加到任一轴向方向，移动金刚石扫描寻找色心时，只有该轴向的色心会发出较强的荧光，定位到某一色心进行下一步操作。
(4)如图6所示，从X、Y轴两个方向上对金刚石的微波天线进行nm量级的精细调节，使得金刚石受激发出的荧光强度最强，从而确定微波天线在X、Y轴方向的位置，最终使得激光光束准确聚焦在金刚石的NV色心上；
(5)根据需要施加磁场的大小，确定永磁体16在Z轴方向的位置；再调节永磁体16的横、纵坐标使得金刚石受激发出的荧光强度最强，确定永磁体16在X、Y轴方向的位置，从而使得永磁体16在色心位置的磁场方向与NV轴平行；
步骤(5)中，根据需要施加磁场的大小，确定永磁体16在Z轴方向的位置，具体过程为：当永磁体16位于Z轴方向的某一位置时，调节施加在NV色心上的微波频率，如图4所示，光探测磁共振图像中最中间谷对应的微波频率计算出磁场的强度。
磁场强度公式
Figure BDA0003746351250000081
γe表示电子旋磁比，B表示外加磁场，D表示零场劈裂，
Figure BDA0003746351250000082
为中间谷的频率。
在NV轴向施加440到1000高斯磁场，激光极化后，色心状态极化为|ms＝0，mI＝1>。
(6)调节施加在NV色心的微波频率，光探测磁共振图像中|ms＝0，mI＝1>对应谷的信号增强，|ms＝0，mI＝-1>和|ms＝0，mI＝0>两个能级对应的谷的信号淹没在噪声中，当光探测磁共振图像中|ms＝0，mI＝1>能级状态的自旋极化率为超过95％，则认为实现了单NV色心中电子自旋和核自旋状态的极化。
单个NV色心对应电子自旋基态哈密顿量
Figure BDA0003746351250000091
γe表示电子旋磁比，S表示电子自旋，B表示外加磁场，D表示零场劈裂，Sz表示电子自旋在Z方向的分量。
NV色心基态具有电子自旋磁量子数ms＝0，±1对应的三个能级，处于ms＝0能级时荧光强度较大，处于ms＝±1能级时，荧光强度较小；实验中一般只使用ms＝0，-1两个能级。
氮14核自旋磁量子数mI＝0，±1，氮14核自旋与NV色心电子自旋相互作用后，得到|ms＝0，mI＝0>、|ms＝0，mI＝1>|ms＝0，mI＝-1>、|ms＝-1，mI＝0>、|ms＝-1，mI＝0，+1>和|ms＝-1，mI＝0，-1>六个能级状态；不加磁场时，使用激光极化后，NV色心在|ms＝0，mI＝0，±1>三个能级上均有布居数分布。在NV轴向施加一定强度范围的高斯磁场，激光极化后，色心状态极化为|ms＝0，mI＝1>。进行自旋极化首先需要精确对准NV轴施加大磁场，磁场由加在多维位移台上的永磁体16施加。
此外，NV轴无法通过简易方式测得，本申请提供了使得NV轴与磁场方向重合的调节方式，即使用荧光信号确定磁场方向，定义NV轴为z方向，当磁场方向与NV轴共线或者垂直z方向磁场强度较小(几高斯)时，只需关注电子自旋z方向的分量，能级状态如上，激光极化后，色心处于荧光最强的状态上。如果垂直z方向磁场强度较大，色心基态能级即为ms对应三个能级的混态，荧光强度变小。扫描定位色心后，先固定水平角度θ和垂直角度φ，通过控制三维位移台不断调节磁铁位置，观察荧光强度变化。重复这一过程，直到找到荧光最强时磁铁的位置，通过调节磁铁与色心的距离改变施加的外磁场大小。可以得到荧光强度随磁铁位置变化的图像，颜色深度代表荧光强度，如图3所示，当荧光强度最大时，磁场与NV轴的夹角达到最小，色心状态极化为|ms＝0，mI＝1>。
自旋的极化率定义为
Figure BDA0003746351250000092
P|0，1>表示|ms＝0，mI＝1>能级状态的荧光强度，P|0，-1>表示|ms＝0，mI＝-1>能级状态的荧光强度，P|0，0>表示|ms＝0，mI＝0>能级状态的荧光强度；自旋极化率可以通过光探测磁共振实验得到，通过改变施加给NV色心的微波频率，当频率恰好对应|ms＝0，mI＝-1>与|ms＝-1，mI＝-1>、|ms＝0，mI＝0>与|ms＝-1，mI＝0>、|ms＝0，mi＝1>与|ms＝-1，mI＝1>三对能级的能级差时，荧光强度变弱。如图4所示，得到荧光强度随微波频率的变化图，横轴代表微波频率，纵轴代表荧光以最大强度为基准的变化率。当图中出现三个谷时，表明色心中自旋分别以一定概率处于|ms＝0，mI＝0，-1>、|ms＝0，mi＝0，0>和|ms＝0，mI＝0，1>三个状态，图4中三个谷从左向右依次对应|ms＝0，mI＝0，-1>、ms＝0，mI＝0，0>和|ms＝0，mI＝0，1>三个状态，自旋极化率约为36％；
加上合适的磁场后，如图5所示，光探测磁共振图像中|ms＝0，mI＝1>对应谷的信号增强，另外两个谷的信号淹没在噪声中，自旋极化率为95％，则认为将色心中电子自旋和核自旋的状态极化。
实施例2
一种单NV色心中电子和核自旋极化的方法的实现装置，如图2所示，用于实现实施例1提供的单个NV色心中自旋的极化方法，该装置包括激光激发模块、二色向镜9、金刚石扫描及物镜3调焦模块、微波设备17、静磁场模块和荧光收集模块；
激光激发模块包括依次设置的激光器6、声光调制器7和第一透镜组8，声光调制器7作为光开关控制激光的输出，再经过第一透镜组8将声光调制器7输出的激光整形为4mm直径的平行激光光束；
金刚石扫描及物镜3调焦模块包括宽带反射镜5、物镜3、Z轴机械位移台4、XY轴机械位移台和压电平台1；XY轴机械位移台设置在Z轴机械位移台4的上方，宽带反射镜5和物镜3沿着光路依次设置在Z轴机械位移台4上，Z轴机械位移台4用于在Z轴方向上对物镜3进行μm量级粗略对焦；压电平台1设置在XY轴机械位移台上，压电平台1用于固定载有金刚石的微波天线，并对载有金刚石的微波天线在X、Y、Z三个方向上进行nm量级的精细调节，准确定位金刚石色心；XY机械位移台2用于对载有金刚石的微波天线在X、Y方向上进行μm量级调节；其中，宽带反射镜5反射光的波长范围为400nm-1000nm。
本实施例中，压电平台1和XY轴机械位移台的中心均开设有通光孔，并且压电平台1上通光孔的中心、XY轴机械位移台上通光孔的中心和Z轴机械位移台4的中心位于同一条垂线上。
压电平台1的X、Y、Z轴的行程均为80μm，位置分辨率3nm，用于X、Y、Z方向上实现纳米级别的精细调节，准确定位NV色心。
压电平台1为购买得到的设备，型号为纳动纳米PK3L60。
此外，XY两轴机械位移台中每轴的行程为10cm，位移最高精度为10μm；Z轴机械位移台4的行程7cm，位移最高精度为10um。
金刚石扫描及物镜3调焦模块为对称结构，采用铝合金及不锈钢材质。
微波设备17用于向微波天线输入微波，对电子的自旋状态进行操控；微波设备17采用中星联华SLFS-A微波信号源。
静磁场模块用于对金刚石施加磁场，通过调节磁场与NV轴之间的夹角，使得输出的荧光强度最大；
本实施例中，静磁场模块包括五维电动位移台和永磁体16，五维电动位移台包括XYZ三维电动位移台和两个旋转位移台，
XYZ三维电动位移台用于X、Y、Z三个方向上调节永磁体16与NV色心之间的距离，进而实现对磁场强度的调节；
旋转位移台包括水平角度位移台和垂直角度位移台；水平角度位移台用于对永磁体16的水平角度θ进行调节；垂直角度位移台用于对永磁体16的垂直角度φ进行调节；
永磁体16固定在水平角度位移台上，并且永磁体16处于金刚石的上方。
XYZ三维电动位移台为卓立汉光的LA50电动位移台，两个角度调节为AKR系列旋转位移台。
永磁体16为稀土铷铁硼磁体。
荧光收集模块包括第二透镜组10、第三透镜组13、第一自由空间探测器11、第二自由空间探测器12和50:50BS分束器，经过50:50BS分束器的分束后，一部分荧光经过第二透镜组10整形，出射到第一自由空间光电探测器；另一部分荧光经过第三透镜组13整形，出射到荧光入射第二自由空间光电探测器；
激光激发模块发出的激光通过二色向镜9的反射，再经过金刚石扫描及物镜3调焦模块中宽带反射镜5反射到物镜3上，然后入射到载有金刚石的微波天线上，对金刚石进行激发，金刚石受激产生荧光，荧光再依次经过物镜3、宽带反射镜5、二色向镜9入后，透射到荧光收集模块进行荧光收集。
该装置的中的压电平台1、五轴电动位移台15、微波设备17、声光调制器7、第一自由空间探测器11、第二自由空间探测器12由上位机中自编写python平台上位机软件控制，并且由脉冲信号发生器控制各个设备的开关顺序。
该装置的外面覆盖隔温材料，隔温材料选用硬质泡沫板。保持装置内温度稳定，减少测试过程中温度波动对信号采集的影响。
图1为荧光收集模块接收到的荧光信号强度随时间的变化示意图，横轴为两路自由空间探测器间的相对延时，纵轴为二阶关联函数，数学表达式为
Figure BDA0003746351250000121
n1，n2为两个探测器上的光子计数，<…>为观察时间t内求平均，τ为两路自由空间探测器间的相对延时。荧光通过50：50BS分束器14分为两路，两路计数由两个探测器得到，延时通过对探测数据进行后处理实现。当色心为单色心时，其为单光子源，τ＝0时，g(2)(0)→0。由图1可知，本发明提供的一种单NV色心中电子和核自旋极化的方法的实现装置实现了单个NV色心中电子和核自旋的极化。

Claims (10)

1.一种单NV色心中电子和核自旋极化的方法，其特征在于，该极化方法包括：
(1)沿着Z轴方向对物镜进行μm量级粗略对焦，再从X和Y轴方向上对载有金刚石的微波天线进行μm量级粗调，从而使得激光光束聚焦在金刚石上；
(2)沿着Z轴方向上对载有金刚石的微波天线进行nm量级的精细调节，使得金刚石受激发出的荧光强度最强，从而确定微波天线在Z轴方向的位置；
(3)通过永磁体对金刚石施加磁场，初步确定永磁体的水平角度θ和垂直角度φ，使得永磁体在金刚石色心位置的磁场方向与NV轴平行；以金刚石所在光学平台为基准，当转动轴垂直光学平台时，绕此轴的转动角度为水平角度θ；当转动轴平行光学平台时，绕此轴的转动角度为垂直角度φ；
(4)从X、Y轴两个方向上对金刚石的微波天线进行nm量级的调节，使得金刚石受激发出的荧光强度最强，从而确定微波天线在X、Y轴方向的位置，最终使得激光光束准确聚焦在金刚石的NV色心上；
(5)根据需要施加磁场的大小，确定永磁体在Z轴方向的位置；再调节永磁体的横、纵坐标使得金刚石受激发出的荧光强度最强，确定永磁体在X、Y轴方向的位置，从而使得永磁体在色心位置的磁场方向与NV轴平行；
(6)调节施加在NV色心的微波频率，当光探测磁共振图像中|ms＝0,mI＝1>能级状态的自旋极化率为超过95％，则认为实现了单NV色心中电子自旋和核自旋状态的极化。
2.根据权利要求1所述的一种单NV色心中电子和核自旋极化的方法，其特征在于，步骤(4)中，根据需要施加磁场的大小，确定永磁体在Z轴方向的位置，具体过程为：当永磁体位于Z轴方向的某一位置时，调节施加在NV色心上的微波频率，光探测磁共振图像中间谷对应的微波频率计算出磁场强度，具体为：磁场强度
Figure FDA0003746351240000011
γe表示电子旋磁比，D表示零场劈裂,
Figure FDA0003746351240000012
为中间谷的频率。
3.根据权利要求1所述的一种单NV色心中电子和核自旋极化的方法，其特征在于，在NV轴向施加440到1000高斯磁场，激光极化后，色心状态极化为|ms＝0,mI＝1>。
4.根据权利要求1-3任一项所述的一种单NV色心中电子和核自旋极化的方法的实现装置，其特征在于，该装置包括激光激发模块、二色向镜、金刚石扫描及物镜调焦模块、微波设备、静磁场模块和荧光收集模块；
激光激发模块包括依次设置的激光器、声光调制器和第一透镜组，声光调制器作为光开关控制激光的输出，再经过第一透镜组将声光调制器输出的激光整形为平行激光光束；
金刚石扫描及物镜调焦模块包括宽带反射镜、物镜、Z轴机械位移台、XY轴机械位移台和压电平台；XY轴机械位移台设置在Z轴机械位移台的上方，宽带反射镜和物镜沿着光路依次设置在Z轴机械位移台上，Z轴机械位移台用于在Z轴方向上对物镜进行μm量级对焦；压电平台设置在XY轴机械位移台上，压电平台用于固定载有金刚石的微波天线，并对载有金刚石的微波天线在X、Y、Z三个方向上进行nm量级的调节，准确定位金刚石色心；XY机械位移台用于对载有金刚石的微波天线在X、Y方向上进行μm量级调节；
微波设备用于向微波天线输入微波，对电子的自旋状态进行操控；
静磁场模块用于对金刚石施加磁场，通过调节磁场与NV轴之间的夹角，使得金刚石受激发输出的荧光强度最大；
荧光收集模块包括第二透镜组、第三透镜组、第一自由空间探测器、第二自由空间探测器和50:50BS分束器，经过50:50BS分束器的分束后，一部分荧光经过第二透镜组整形，出射到第一自由空间光电探测器；另一部分荧光经过第三透镜组整形，出射到荧光入射第二自由空间光电探测器；
激光激发模块发出的激光通过二色向镜的反射，再经过金刚石扫描及物镜调焦模块中宽带反射镜反射到物镜上，然后入射到载有金刚石的微波天线上，对金刚石进行激发，金刚石受激产生荧光，荧光再依次经过物镜、宽带反射镜、二色向镜入后，透射到荧光收集模块进行荧光收集。
5.根据权利要求4所述的一种单NV色心中电子和核自旋极化的方法的实现装置，其特征在于，静磁场模块包括五维电动位移台和永磁体，五维电动位移台包括XYZ三维电动位移台和两个旋转位移台，
XYZ三维电动位移台用于X、Y、Z三个方向上调节永磁体与NV色心之间的距离，进而实现对磁场强度的调节；
旋转位移台包括水平角度位移台和垂直角度位移台；水平角度位移台用于对永磁体的水平角度θ进行调节；垂直角度位移台用于对永磁体的垂直角度φ进行调节；
永磁体固定在水平角度位移台上，并且永磁体处于金刚石的上方。
6.根据权利要求5所述的一种单NV色心中电子和核自旋极化的方法的实现装置，其特征在于，永磁体为稀土铷铁硼磁体。
7.根据权利要求4所述的一种单NV色心中电子和核自旋极化的方法的实现装置，其特征在于，压电平台和XY轴机械位移台的中心均开设有通光孔，并且压电平台上通光孔的中心、XY轴机械位移台上通光孔的中心和Z轴机械位移台的中心位于同一条垂线上；
压电平台的X、Y、Z轴的行程均为80μm，位置分辨率3nm，用于X、Y、Z方向上实现纳米级别的调节，准确定位NV色心；
XY两轴机械位移台中每轴的行程为10cm，位移最高精度为10μm；Z轴机械位移台的行程7cm，位移最高精度为10um。
8.根据权利要求4所述的一种单NV色心中电子和核自旋极化的方法的实现装置，其特征在于，金刚石扫描及物镜调焦模块为对称结构，采用铝合金及不锈钢材质。
9.根据权利要求4所述的一种单NV色心中电子和核自旋极化的方法的实现装置，其特征在于，该装置的中的压电平台、五轴电动位移台、微波设备、声光调制器、第一自由空间探测器、第二自由空间探测器由上位机控制，并且由脉冲信号发生器控制各个设备的开关顺序。
10.根据权利要求4所述的一种单NV色心中电子和核自旋极化的方法的实现装置，其特征在于，该装置的外面覆盖隔温材料，隔温材料选用硬质泡沫板。
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