JP2014519615A - 固体状態のスピン系におけるスピン不純物の吸収に基づく検出 - Google Patents

Abstract

ダイヤモンド中のＮＶ中心などの固体状態のスピン系内でのスピン不純物のスピン状態の吸収に基づく検出は、スピン不純物に適用される光学信号の吸収強度、すなわち、光学信号が固体状態のスピン系を介して伝送された後の光学信号の強度の変化を測定することによって実施される。スピン不純物の光学的励起の間、ＥＳＲ周波数に調整した周波数でサンプルにマイクロ波パルスが当てられる。外部磁場または量子情報プロトコルなどの様々な対象に関する情報を与える、不純物のスピン状態の相対的な集団は、マイクロ波パルスを照射しない際の光学信号の強度に対する、マイクロ波パルスを照射する際の光学信号の強度の比率から決定される。
【選択図】図３Ａ

Description

（連邦政府が支援する研究に関する声明書）
本発明は、ＮＩＳＴ（Ｎａｔｉｏｎａｌ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｓｔａｎｄａｒｄｓ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ）によって与えられた契約番号６０ＮＡＮＢ１０Ｄ００２の下、政府の支援を受けて行われた。政府は本発明において一定の権利を有している。

（関連出願の相互参照）
本出願は、「Ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ Ｂａｓｅｄ Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ｏｆ Ｎｉｔｒｏｇｅｎ− Ｖａｃａｎｃｙ Ｅｎｓｅｍｂｌｅｓ ｉｎ Ｄｉａｍｏｎｄ」と題され、２０１１年６月１３日に出願された、同時係属中の米国仮特許出願６１／４９６，５３８号（「’５３８仮特許出願」）に対して、米国特許法第１１９条３５巻の下で優先権の利益に基づき、これを請求する。’５３８仮特許出願の内容は、まるですべてが説明されるように、そのまま引用することによって本明細書に組み込まれる。

ダイヤモンドの窒素空格子点（ＮＶ）中心などの固体状態のスピン系におけるスピン不純物は、その電子スピン自由度をマイクロ波放射によってコヒーレントに制御することができ、系のスピン状態を光場によって偏極させ読みだすことができるため、大きな関心を集めてきた。長いコヒーレンス時間もそれらを魅力的なものとしている。

ＮＶ中心などのスピン不純物には、磁力測定、量子コンピューター、および、バイオイメージングから超分解能顕微鏡法まで広範な用途がある。これらの用途のために良質な信号を得ること、例えば、磁力測定のために磁気感度を高めることは、長いスピンコヒーレンス時間と高い光子収集効率を必要とする。

ＮＶ中心の電子スピン状態を読み取るための従来の方法は、蛍光に基づいた検出である。しかしながら、蛍光のごく一部分しか対物レンズによって集められた立体角には含まれず、その結果、検出器で集めた光子は一般的に１％未満である。

したがって、ダイヤモンドのＮＶ中心などのスピン不純物の電子スピン状態を検出するためのより高感度な方法およびシステムに対するニーズがある。

図は、例証的な実施形態を開示している。それらはすべての実施形態を説明するわけではない。他の実施形態がさらにまたは代わりに使用されてもよい。

本出願の１つの実施形態に従って、固体状態のスピン系でのスピン不純物の吸収に基づく検出のためのシステムの概略図である。 ダイヤモンド中のＮＶ中心の結晶構造を概略的に例証する。 図２Ａで示されるＮＶ中心の電子構造を示す。 図２Ｂで示されるＮＶ中心のそれぞれの電子状態の時間進化を例証する。 図２Ｂで示されるＮＶ中心のそれぞれの電子状態の時間進化を例証する。 本出願の１つの実施形態に従って、固体状態のスピン系でのスピン不純物の吸収に基づく検出のための方法の概略的なフローチャートである。

実例となる実施形態がこの開示で議論される。他の実施形態がさらにまたは代わりに使用されてもよい。

本発明がさらに詳細に記載される前に、本発明が記載された特定の実施形態には限定されず、そのようなものとして変化してもよいことが理解されよう。さらに、本明細書で使用される用語は、特定の実施形態だけを記載する目的のものであり、限定的なものであることを意図してはいない。なぜなら、本発明の範囲は、添付の請求項によってのみ限定されるからである。

広範な範囲の値が与えられる場合、その文脈が別途明らかに記載していない限り、その範囲の上限と下限のあいだの下限の単位の十分の一までのそれぞれの介在する値と、その記載された範囲の他の記載されたまたは介在する値は、本発明に包含されることが理解されよう。これらのより小さな範囲の上限と下限は、より小さな範囲に単独で含まれてもよく、記載された範囲内の任意のとりわけ除外された限界に従って、本発明の範囲内にも含まれる。記載された範囲が１つまたは両方の限界を含んでいる場合、これらの含まれる限界のいずれかまたは両方を除外した範囲も本発明に含まれている。

別段指定されない限り、本明細書で用いられる全ての技術的および科学的な用語は、本発明が属する技術分野の当業者によって一般に理解されるものと同じ意味を有する。本明細書に記載の方法および材料に類似するまたは同等の方法および材料は、本発明を実施するまたは試験する際に使用され得るが、限定された数の典型的な方法が本明細書に記載されている。

本開示では、ＮＶ中心による光吸収によってバルクダイヤモンドのサンプルを介した光伝送の変化を測定することにより、ダイヤモンドのＮＶ中心などのスピン不純物の電子スピン状態を読み取るための方法とシステムが記載されている。

図１は、本出願の１つの実施形態に従った、固体状態のスピン系でのスピン不純物の吸収に基づく検出のためのシステム（１００）の概略図である。概観では、システム（１００）は、固体状態の格子のスピン不純物を含むバルクサンプル（１１０）、光源（１２０）、マイクロ波源（１３０）、および、（光源（１２０）からの）光と（マイクロ波源（１３０）からの）マイクロ波場がサンプル（１１０）のスピン不純物に当てられ、サンプルを通って伝送された後に、スピン不純物からの出力放射線を検出するように構成された検出器（１４０）を含む。

例証された実施形態では、バルクサンプル（１１０）はダイヤモンド結晶であり、スピン不純物はダイヤモンド結晶格子のＮＶ中心である。図２Ａと２Ｂと共に以下にさらに記載されるように、ＮＶ中心は、ダイヤモンドの構造中の結晶学的な欠陥、すなわち、ダイヤモンドの結晶の格子構造の欠陥である。１つの実施形態では、バルクサンプルは、４ｘ２ｘ１ｍｍの大きさと、最長の寸法で約１．０±０．１の光学的深さを有してもよい。すべての光がＮＶ中心に吸収されるわけではなく、真の光学的厚さは１．０±０．１よりも小さいことが予想される。

光源（１２０）は光を生成するように構成される。光がスピン不純物に当てられると、光のいくらかがスピン不純物に吸収される。吸収強度は、スピン不純物を通って伝送された後に光源（１２０）からの光の強度の変化として測定することができる。例証された実施形態では、光源（１２０）は、約５３２ｎｍ（ナノメートル）の波長を有する励起光を生成するレーザーである。スピン不純物の光照射は、スピン不純物の電子スピン状態間の光学遷移を引き起こし、これは、以下にさらに記載されるように、異なるスピン状態の相対的な集団（ｒｅｌａｔｉｖｅ ｐｏｐｕｌａｔｉｏｎ）に影響を与える。

鏡（１４２）およびレンズ（１４４）のような光学エレメントが含まれてもよい。これらの光学エレメントは、とりわけ、サンプル（１１０）の光学的深さを増やしたり変えたりするために使用されてもよい。

ＲＦ源（１３０）は、電子スピン不純物に適用することができるＲＦ放射線のパルスを生成するように構成される。例証される実施形態では、ＲＦ源（１３０）は、マイクロ波を生成するマイクロ波源である。スピン不純物の共振周波数で調整されたマイクロ波は、レーザー（１２０）からのレーザー光によるスピン不純物の光励起中に、スピン不純物に当てられる。マイクロ波を当てた際と当てていない際の吸収強度の比率は、以下にさらに記載されるように、スピン不純物の異なるスピン状態の相対的な集団の変化率と既知の関係にあり、マイクロ波を照射した際としていない際の吸収強度の測定に基づいて、その相対的な集団を決定することができる。

検出器（１４０）は、レーザー（１２０）からの光とＲＦ源（１３０）からのマイクロ波がスピン不純物を通過した後に、スピン不純物から出力された光放射を検知する。例証された実施形態では、検出器（１４０）はフォトダイオードである。他の多くの種類の検出器が使用されてもよく、限定されないが、ＣＣＤ（電荷結合素子）アレイ、光ファイバー、プラズモン導波路、および、超分解能光学技術（例えば、ＳＴＥＤ）を利用するデバイスを含んでもよい。

測定の間、レーザー（１２０）からのレーザー光の強度と、マイクロ波源（１３０）からのマイクロ波の強度は変更される。入射するレーザー出力とおよびビーム直径を知っているため、レーザーの強度は、断面と自発崩壊速度から計算可能な飽和強度を用いて、光学遷移速度に変換され得る。ラビ周波数は、マイクロ波ストリップラインのマイクロ波力と幾何学的形状から得ることができる。ラビ周波数は、パルスマイクロ波実験からも直接測定することができるが、しかしながら、これらの変換関係は、２つの実験の不確実性の因子を有している。

処理システムは、検出器（１４０）に統合されてもよく、前記の計算や以下に詳細に記載される他の計算を行うように構成されている。処理システムは、本出願に記載される方法、システム、および、アルゴリズムを実行するように構成される。処理システムは、任意のタイプのマイクロプロセッサー、ナノプロセッサー、マイクロチップ、または、ナノチップを含んでもよく、あるいは、これらからなってもよい。処理システムは、内蔵のコンピュータ・プログラムによって、選択的に構成されてもよく、および／または、動作してもよい。処理システムは、上記載のような方法とシステムを実行するためにそのようなコンピュータ・プログラムが内蔵された、コンピューターが使用可能な媒体を含んでもよい。コンピューター使用が可能な媒体は、処理システムのためにコンピューターが使用可能な指令を内蔵していてもよい。本出願の方法およびシステムは、任意の特定のプログラミング言語に関しては記載されていない。したがって、本出願の教示を実行するために、様々なプラットフォームおよびプログラミング言語が使用されてもよいことが理解されよう。

図２Ａは、ダイヤモンドのＮＶ中心２００の結晶構造を概略的に例証する。図２Ａで見られるように、ＮＶ中心は、ダイヤモンド格子中の欠けている炭素原子に由来する空の位置または空格子点である。１つの炭素原子が窒素原子（２２０）と取り替えられ、もう一つの空間が空のままであるので、ＮＶ不純物は、２つの隣接する部位が変化している炭素原子（２１０）の格子に基づいている。空格子点は、窒素（２２０）のような格子間原子と相互に作用してもよく、可視光線を吸収することによって色中心として機能してもよい。ＮＶ中心は、レーザーによって照射されると、赤点として目に見える。

ＮＶ中心は、他のスピンから磁気干渉からは比較的無縁である。ＮＶ中心のスピンの量子状態は、室温で制御されてから調査されてもよい。規則的な固体状態の格子中の他のタイプの欠陥を含む系と同様に、ダイヤモンド中のＮＶ中心も、背景格子との相互作用がほとんどない電子スピンを提供することができる。そのような電子スピンは、独特の光学署名（ｏｐｔｉｃａｌ ｓｉｇｎａｔｕｒｅ）で光学的に検知可能である。

図２Ｂは、ダイヤモンド中のＮＶ中心の電子構造を示す。図２Ｂで示されるように、ＮＶ中心の電子基底状態の微細構造は、Δ＝２．８７ＧＨｚ結晶場分裂で、ｍ_ｓ＝±１スピン三重項である。励起状態と基底状態の間のゼロフォノン線（ＺＰＬ）の放射は、６３７ｎｍである。図２Ｂでは、Ｒが光学遷移速度を表し、γがスピン保存遷移（ｓｐｉｎ ｃｏｎｓｅｒｖｉｎｇ ｔｒａｎｓｉｔｉｏｎ）の自発的な崩壊速度を表し、εがスピン非保存遷移のごく一部分を表す。Γ_ｓは、ｍ_ｓ＝±１励起状態（以下に記載）からのふるい速度（ｓｈｅｌｖｉｎｇ ｒａｔｅ）を表し、Γ_ｄは、準安定一重項状態（以下に記載）からのふるい速度を表す。

ＥＳＲ（電子スピン共鳴）実験は、ＮＶ中心の基底状態がスピン三重項であることを示した。外部場がない状態では、ＮＶ中心の２つの不対電子間のスピン−スピン相互作用は、三重項を、Ａ１対称を含むｍ_ｓ＝０状態と、Ｅ対称を含むｍ_ｓ＝±１状態へと分割する。これは２．８７ＧＨｚずつ分離される。外部場の欠如は、ｍ_ｓ＝＋１とｍ_ｓ＝−１の状態の間のＺｅｅｍａｎ ｓｈｉｆｔを引き起こし、これは、磁気回転比γ＝によって２．８ｍＨｚ／Ｇによって決定される。励起状態の電子構造に関しては、Ｅ対称を含む２つのｍ_ｓ＝０レベルと、Ａ１、Ａ２、およびＥ対称を含む４つのｍ_ｓ＝±１レベルに対応した、６つの励起状態があることが知られている。加えて、準安定スピン一重項Ａ１状態がある。

光の照射により、基底のｍ_ｓ＝０状態が優勢的になるということが実証された。他のパラメーターが〜μｓの時間スケール上にあると仮定することができる。準安定状態への遷移は、主に励起したｍ_ｓ＝±１状態から生じ、それは主として基底ｍ_ｓ＝０状態へと崩壊する。電気双極子遷移がリーディングオーダーにスピン保存であるので、ｍ_ｓ＝０の基底状態は結局占有され、ｍ_ｓ＝±１基底状態は使い尽くされる。

本出願では、以下の標識はＮＶ中心の上記の５つのスピン状態のための使用である：２つの基底状態、すなわち、｜１＞（ｍ_ｓ＝０のために）および、｜２＞（ｍ_ｓ＝±１のために）；２つの励起状態、すなわち｜３＞（ｍ_ｓ＝０のために）、および、｜４＞（ｍ_ｓ＝±１のために）、および、１つの準安の一重項状態、｜５＞。

ＮＶ中心電子状態の時間進化を光学遷移速度とラビ周波数の関数として完全に記載するために、５段階の反応速度方程式モデルが導入され、本開示の１つの実施形態では、２×２ブロッホ方程式が使用される。コヒーレンスが、基底状態のコヒーレンスを除けば、他の時間スケールよりも速く崩壊するため
最大の関心事は、各状態の集団にある。

この実施形態では、５段階のモデルの反応速度式は、以下のように与えられる。

このとき、ｐ_ｉはｉ^番目の状態の集団で、Ａ_ｉｊはｊ^番目の状態からｉ番目の状態までの遷移速度である。

遷移行列Ａは以下の式から与えられる。

式中、Ｒは光学遷移速度であり、γ＝７７はスピン保存遷移の自発崩壊速度であり、ε＝１．５／７７はスピン非保存遷移のごく一部分であり、Γ_ｓ＝３０は｜４＞からのふるい速度であり、Γ_ｄ＝３．３は｜５＞からのふるい速度である。数は１０^６ｓ^−１の単位である。他のパラメーターは無視できるほどに小さいと仮定する。

基底状態、｜１＞と｜２＞とのあいだのコヒーレント混合（ｃｏｈｅｒｅｎｔ ｍｉｘｉｎｇ）をモデル化するために、コヒーレント状態は反応速度式にも含まれる必要がある。２段階システムのブロッホの方程式は以下によって与えられる：

式中、Ωはラビ周波数であり、δは２．８７ＧＨｚから離調するマイクロ波であり、γ_ｇは、｜２＞状態から｜１＞状態までの自発的崩壊である。これらの計算では、共振マイクロ波（δ＝０）が適用され、自発的な崩壊は無視される（γ_ｇ＝０）。

図３Ａおよび３Ｂは、連続的な光学励起またはマイクロ波放射の下で、上記のモデルによって計算された各状態集団の時間進化の２つの例を例証している。初期条件は、熱平衡であるように選ばれ、その結果、そう集団が３つの基底状態で等しく分布する。

Ｒ＝５ＭＨｚ、Ω＝０ＭＨｚのプロットである図３Ａは、電子スピン偏極を表しており、すなわち、｜１＞状態への偏極を記載している。電子の８０％以上が｜１＞にある場合、系は約３μｓの平衡に達する。

Ｒ＝０ＭＨｚ、Ω＝１ＭＨｚを例証している図３Ｂは、｜１＞と｜２＞の間の周期的なコヒーレント混合を示す。言いかえれば、図３Ｂは、予想されるように、｜１＞と｜２＞の間の単純なＲａｂｉ振動を示している。

電子スピン遷移を含むマイクロ波場共鳴が適用されると、電子スピン共鳴（ＥＳＲ）測定は、信号の変化を測定する。スピン状態の集団は、吸収ＥＳＲ信号コントラストに関連付けられる。マイクロ波振動数が変化すると、共鳴のピークは２．８７ＧＨｚあたりで現われる。静的な視野が適用されると、ピーク周波数はゼーマンシフトになるであろう。ＥＳＲ測定はこのようにして｜１＞と｜２＞との間で何のエネルギーが分裂しているのかを語る。

光学遷移速度Ｒとラビ周波数Ωがスイープされると、上記吸収スキームのための信号コントラストは著しく増加する。吸収コントラストは以下の式によって定義される：

式中、Ｉ_Ｔ ^{ＯＮ／ＯＦＦ}は、マイクロ波を照射する場合と照射しない場合の送信されたレーザー強度である。

吸収コントラストは、マイクロ波を照射する場合と照射しない場合の光学的深さＤと吸収レーザー強度に関して書き換えられ、光学的深さＤを増加させることにより得ることができる吸収コントラストの増加を示す。

スピン状態の集団は、平衡集団が連続的な励起の下で評価されるモデルで得られる以下の方程式によって吸収強度の比率に関連付けられる。

数値シミュレーション結果は、Ｒ（光学遷移速度）が増加するにつれて、集団の多くは準安定状態に陥り、吸収速度は減少するが、しかしながら、大きなＲ＞１０ＭＨｚ、および、Ω＞２ＭＨｚに関しては、吸収コントラストは蛍光コントラストよりも大きくなるということを示している。

図４は、本出願の１つの実施形態に従って、固体状態のスピン系でのスピン不純物の吸収に基づく検出のための方法（４００）の概略的なフローチャートである。概観では、該方法は、光学信号が固体状態のスピン系を通って伝送された後に、光学信号の強度の変化を測定することによって、固体状態系のスピン不純物に適用される光学信号の吸収強度を測定することに基づいている。

方法（４００）は、スピン不純物を光学的に励起するために、スピン不純物を含む固体状態のスピン系に光学的放射を適用する工程（４１０）を含んでいる。方法（４００）は、光学的な励起のあいだに、スピン不純物の電子スピン遷移で共鳴するマイクロ波パルスを適用する工程（４２０）をさらに含んでいる。方法（４００）は、スピン不純物による吸収によって光学信号の強度の変化を測定するように、吸収強度を決定するために、光学信号がバルクダイヤモンドサンプルを通過した後に、出力された光放射を検出する工程（４３０）を含んでいる。

方法（４００）は、様々な対象についての情報を得るために、測定された吸収強度から、電子スピン状態の相対的な集団を決定する工程（４４０）をさらに含む。

要約すると、吸収に基づくＮＶアンサンブル状態の検出のための方法とシステムが記載されてきた。とりわけ、５３２ｎｍの励起光の吸収によるＮＶアンサンブル状態の検出の１つの典型的な実施形態が、詳細に記載されてきた。この手法は、吸収された光子の一致検出効率を提供すると示され、その効率は従来の蛍光に基づいた状態検出よりもはるかに大きい。

吸収に基づく検出は、高密度のＮＶ中心を含むサンプルでとりわけうまく機能する。というのも、そのようなサンプルでは、緑の励起光の伝達の著しい減少が見られるからである。約１．０の光学的深さを備えたサンプルでの当初の測定が、低い光学的励起率状態またはマイクロ波励起率状態で低信号コントラストを示す一方で、数値シミュレーションは、吸収コントラストが、光学的深さの大きな、光学的励起率とマイクロ波励起率の高い蛍光コントラスト超えることができることを示している。

吸収信号コントラストを改善するために多くの方法が使用されてもよい。１つの方法は、光学的深さを増加させることである。というのも、吸収ＥＳＲコントラストがｅ^Ｄに比例するからである（Ｄはサンプルの光学的深さである）。Ｄは、長いサンプルを提供することによって、または、鏡とレンズを使用する多重経路スキームによって、増加してもよい。別の方法は、より高いレーザー出力とマイクロ波出力を使用することである。吸収ＥＳＲコントラストが光学的深さＤ＝１．０を備えたサンプルについて、約１０ＭＨｚの光学遷移速度および２ＭＨｚのラビ周波数、蛍光コントラストよりも大きくなると予測する多くの数値シミュレーションが行なわれてきた。最後に、吸収信号コントラストを改善する別の方法は、パルス測定に均質の静磁場を適用することである。均質な静磁場を適用することによって、１つの分類のＮＶ中心に焦点を当て、コントラストをより正確に測定することができる。同様に、Ｒａｂｉ章動信号を得るために必要な共鳴周波数をより正確に得ることができる。

記載または例証されたものは何も、任意の構成要素、工程、特徴、対象、利益、利点、あるいは、公共のものとの同等物のいずれかの専用を引き起こすことを意図していない。明細書は本開示の特定の実施形態を記載しているが、当業者は本開示で開示された発明の概念から逸脱することなく、本開示の変更形態を考案することができる。

特定の実施形態が記載されてきたが、これらの実施形態における暗黙の概念は他の実施形態でも同様に使用されてもよいことが理解されよう。本開示では、単数形の要素への言及は、特段指定のない限りは「１および１のみ」を意味することを意図しておらず、むしろ、「１以上」を意味するように意図している。当業者に知られている、または、知られるようになる、本開示の全体にわたって記載された様々な実施形態の要素に対する構造的かつ機能的な同等物は、引用により本明細書に明らかに組み込まれる。

Claims (20)

1. 電子スピン不純物に適用された光学信号の吸収強度を測定する工程によって、固体状態のスピン系内の電子スピン不純物の電子スピン状態を決定する工程を含む方法。
2. 吸収強度を測定する工程は、電子スピン不純物による光学信号中の格子の少なくとも幾つかの吸収によって、信号が固体状態のスピン系を介して伝送された後に、光学信号の強度の変化を測定する工程を含む、ことを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. スピン不純物はＮＶ（窒素欠陥）中心であり、固体状態のスピン系はダイヤモンド格子である、ことを特徴とする請求項１に記載の方法。
4. 電子スピン状態を決定する工程は、スピン不純物の異なるスピン状態の相対的な集団を決定する工程を含み、および、
   様々な対象についての情報を得るために、相対的なスピン集団を決定する工程をさらに含む、ことを特徴とする請求項１に記載の方法。
5. 様々な対象は外部磁場、外部電場、および、量子情報プロトコルの１つを含む、ことを特徴とする請求項４に記載の方法。
6. ＮＶ中心は、
   約２．８７ＧＨｚのエネルギー分裂により互いから分離したｍ_ｓ＝０の基底状態とｍ_ｓ＝±１の基底状態とに、スピンとスピンの相互作用によってさらに分割される、スピン三重項基底状態、
   ｍ_ｓ＝０の励起状態とｍ_ｓ＝±１の励起状態、および、
   準安定スピン一重項状態を含む、ことを特徴とする請求項４に記載の方法。
7. スピン不純物に適用される光学信号は、ｍ_ｓ＝±１の励起状態からの準安定状態への光学的遷移を引き起こすために、および、準安定状態から主にｍ_ｓ＝０の基底状態までの自発的な崩壊を引き起こすために十分な周波数と強度を有し、それによって、徐々にｍ_ｓ＝±１の励起状態の実質的な枯渇をもたらし、および、徐々にｍ_ｓ＝０の基底状態を優勢にさせる、ことを特徴とする、請求項６に記載の方法。
8. 固体状態のスピン系はＮＶ中心を含むバルクダイヤモンドサンプルを含み、吸収強度を測定する工程は、
   サンプル中のスピン不純物の少なくとも幾つかを光学的に励起するために調製される周波数で、サンプルに光学信号を適用する工程、
   光学的な励起の間、電子スピン遷移に共鳴する１以上のマイクロ波パルスをサンプルに適用する工程、および、
   スピン不純物による吸収のため、光学信号の強度の変化によって測定されるように吸収強度を決定するために、光学信号がバルクダイヤモンドサンプルを通過した後に、出力された光学的放射を検出する工程を含む、ことを特徴とする請求項４に記載の方法。
9. ＮＶ中心のスピン状態の時間進化は、以下によって与えられる数式によって、スピン状態とＲａｂｉ周波数との間の光学的遷移の関数として、数学的に記載可能であり、
   ｐ_ｉはｉ^番目の状態の集団で、Ａ_ｉｊはｊ^番目の状態からｉ番目の状態までの遷移速度である、ことを特徴とする請求項８に記載の方法。
10. ｍ_ｓ＝０の基底状態とｍ_ｓ＝±１の基底状態との間のコヒーレント混合は、光学的なブロッホ方程式によって数学的に記載可能である、ことを特徴とする請求項９に記載の方法。
11. 吸収強度を測定する工程は、検出期間にわたって基底状態の集団を統合する工程を含む、ことを特徴とする請求項９に記載の方法。
12. マイクロ波パルスを照射していない際の光学信号の測定された吸収強度に対する、マイクロ波パルスを照射する際の光学信号の測定された吸収強度の比率から、電子スピン状態の相対的な集団を、以下の数式を用いて決定する工程をさらに含む、ことを特徴とする請求項１０に記載の方法。
    
13. スピン不純物と固体状態の格子を含むサンプルに適用する際に、固体状態の格子中の電子スピン不純物の電子スピン状態を光学的に励起することができる光を生成するように構成された光源、
    スピン不純物の電子スピン共鳴周波数に調整された周波数で、光による光学的励起の間、サンプルに適用可能なマイクロ波パルスを生成するように構成されたマイクロ波源、および、
    光放射の吸収強度を測定することができるように、光学信号がサンプルを通過した後に、出力された光放射を検出するように構成された検出器、を含むシステム。
14. 検出器は、光信号が固体状態のスピン系を介して伝送されたあとに、光学信号の強度の変化を検出することによって、吸収強度を測定するように構成され、前記変化は、スピン不純物による光学信号中の光子の少なくとも幾つかの吸収により引き起こされる、ことを特徴とする請求項１３に記載のシステム。
15. 電子スピン不純物を含むサンプルをさらに含む、ことを特徴とする請求項１３に記載のシステム。
16. サンプルはバルクダイヤモンドを含み、電子スピン不純物はダイヤモンド中にＮＶ中心を含む、ことを特徴とする請求項１５に記載のシステム。
17. 光源は、約５３２ｎｍの周波数に調整可能なレーザーである、ことを特徴とする請求項１３に記載のシステム。
18. 測定された吸収強度から電子スピン状態の相対的な集団を計算するように構成された処理システムをさらに含む、ことを特徴とする請求項１３に記載のシステム。
19. 処理システムは、以下の式によって、マイクロ波パルスを照射していない際の光学信号の吸収強度に対する、マイクロ波パルスを照射する際の光学信号の吸収強度の比率に、電子スピン状態の相対的な集団を関連付ける数学モデルを用いて、電子スピン不純物の電子スピン状態の相対的な集団を計算するようにさらに構成される、ことを特徴とする請求項１８に記載のシステム。
    
20. 処理システムは、検出時間にわたって、基底状態の集団を統合することによって、吸収強度信号を提供するようにさらに構成される、ことを特徴とする請求項１９に記載のシステム。