外文翻译-在外界条件下一个单电子自旋的纳米级磁像

XX大学毕业设计文献翻译与原文题目： 在外界条件下一个单电子自旋的纳米级磁像 学 院： 测试与光电工程学院专业名称： 测控技术与仪器班级学号： 学生姓名： 指导教师： 20xx 年 4 月 9日在外界条件下一个单电子自旋的纳米级磁像 M. S. Grinolds, S. Hong, P. Maletinsky, L. Luan, M. D.Lukin,R.L.Walsworth,and A. Yacoby在外部条件即通过磁场共振成像和核磁共振成像下的电子自旋效应的发现使得生物，化学，物理科学发生了变革。促进对单个电子自旋程度的感应能力将会获得前所未有的应用，如单分子结构成像。然而，单个电子自旋的微弱磁场用传统的远场共振技术是检测不出来的。最近几年来，在发展纳米级扫描磁强计做出了相当大的努力，磁强计是通过使传感器靠近目标测量轻微的旋转。在操作时要达到磁强计的高灵敏度一般要求低温，在外界条件下（标准的温度和压强）很多成像应用中测量的手段是非常严格的，特别是在生物系统下。在这儿我们证实了在外界条件下即使用一个扫描氮原子-空位磁强计进行一个初始单个电子自旋的磁场的检测和纳米成像。通过在一个目标电子自旋上方50nm有目的性的扫描我们的氮原子空位磁强计获得实际的大量的磁场成像，并使用动态耦合磁强协议测量局部磁场。我们讨论单自旋检测如何使在伴随这空间分辨率和自旋灵敏度前所未有的结合的高分子物理中的大量室温现象的研究。迄今为止，单个电子自旋的磁场只能在极端的条件（超低温和高真空）下成像。在钻石中基于负电位氮原子空位中心的磁力仪已经被看作为传感器能够测量个体的旋转。因为它们能够被极化，目视读出和有长时间的一致时间，甚至在外部条件下。而且，因为NV色心是原子尺寸，如果它们放在靠近要被检测的目标他们能够提供很好的磁场分辨率和感应灵敏度。最近在钻石奈米制造的进步允许性能良好的扫描探头（单个NV色心的顶端大约为25nm）的制造，这儿，我们采用这样的一个扫描NV色心去对一个单个目标电子自旋的磁场偶极区域进行成像。我们的扫描NV磁力仪由已描述的一个结合的共焦和原子力显微镜，它是把一个高灵敏度的NV色心嵌入到一个钻石纳米扫描探头尖端。传感器NV的旋转状态是极化的并且通过旋转旋转独立的荧光读出，它的与样本相关的姿态是可以通过在尖端和样本之间的原子力进行控制。微波被用于连续操作那个传感器NV旋转。通过测量NV色心自旋的电子自旋共振的可视化检测完成磁场感应。我们优先从一个靶电子自旋测量磁场的分布。整个系统，包括扫描NV磁力仪和靶电子样本，在外界条件下操作。为了证实单个电子自旋检测和成像，在一个分离的钻石晶体中，我们选择我们的目标和另一个负电荷NV色心相联系能够自旋（以至于传感器和靶原子NV色心相对于另一个能够被扫描）使用一个NV靶原子的优点是它的定位和自旋状态能够通过它的可视荧光决定。正如下面所讨论的，于是我们能够比较靶原子相对于它的可视被测位置的磁场被测位置并且确保磁场成像是来自于一个单个靶原子的自旋。而且，我们能够保证靶原子自旋是初始化了的并且做了合适地调整，这对于优化交流磁感应是有用的。为了成像去分离单个NV靶原子，NV色心可以通过已有的移植和热处理技术在一个块钻石表面小于25nm的层面中创造出来。目标钻石表面是为创造纳米平顶山，被选择的直径需受到限制（高于200nm）,平均而言，一个单一的NV色心自旋。有单个NV色心的平顶（通过光子自相关实验断定，补充图S1）被选择用于我们的测量。为了单独操纵靶原子和传感器NV的旋转，我们选择了来自传感器NV具有不同晶体取向的一个靶原子NV中心（确定旋转量化轴），以至于他们的自旋转变在电子自旋谐振测量中通过使用一个一致的静磁场能够被分离。 图一图一|NV扫描磁强计。a，NV扫描磁强计的示意图。NV传感器寄生在扫描钻石的纳米级范围，它的电子自旋是极化了的并且从上述中可以读出来（532nm的激光斑显示）。对相干NV自旋的操作是通过附近的微波线圈进行的。NV传感器对靶电子的扫描形成磁像。B,通过持续使用激励和施加微波实现自旋0状态到1状态的转变，在NV色心中可视被检测的磁共振为静磁场提供了测量。c，通过在它的环境中进行NV传感器的动态扫描。图绘的是一个在40us演变的总时间内脉冲1自旋回波磁序，和一个330us演变的总时间内脉冲512的磁序，分别达到了56nTHZ-1/2nTHZ-1/2的灵敏度。图2图2|靶电子自旋定位置的无关测定。NV传感器的钻石纳米阵列是扫描一个含有单个靶原子NV色心的纳米结构。被记录的NV荧光是位置的函数。荧光有一个很强的空间相关性因为当NV传感器靠近样本表面时NV荧光能够部分地耦合目标钻石，并且当纳米阵列位于NV色心上方时目标NV荧光能耦合纳米阵列导波。当纳米阵列远离目标NV色心时，只可以收集到来自NV传感器的荧光，正如电子自旋谐振测量一样表明两个光谱峰值对应NV传感器自旋ms=-1的过渡。为了电子自旋测量占用了位于NV色心上方的纳米阵列（底端，右部面板）那儿有四个可观测的到的光谱峰值对应传感器和目标NV自旋过渡状态。（分别是蓝的和红的），由于要收集来自NV自旋的荧光减少电子自旋谐振的对比。目标耦合全的中心（在明亮荧光斑点周围的红色虚线圈）表明靶NV色心自旋的横向位置与纳米级的中心相关。同样的，传感器抑制圈的中心（在黑色荧光斑点周围的蓝色线圈）表明NV传感器自旋的横向位置。知道NV自旋的横向位置，那么传感器-目标最近的途径的位置可以知道。从目标钻石台面扫描NV磁力仪在采集到的荧光的空间特征使我们能够独立地确定传感器和目标NV的相对位置，旋转（图2）。（）第一，扫描金刚石纳米柱作为一个waveguide18，当为中心的正上方目标公司，提供了有效的收集荧光从目标公司（除了传感器NV）。此外，该公司的荧光传感器有效地耦合到目标散装钻石时，集中在一个台面，由于钻石的高折射率。这两个近场荧光特征相交的指示在传感器NV自旋是最接近目标NV自旋。这是用于确定空间位置的磁成像目标NV自旋的位置。接近的目标预期的位置，局部磁场用磁脉冲序列进行测定传感器NV使用相结合的动态耦合和双电子-电子共振。该传感器NV自旋自旋态的叠加态制备，它积累相位与本地磁场成比例，包括从目标NV的自旋的分布。优化的磁场灵敏度，传感器NV是从环境中的脉动磁域动态解耦（图3，上面板）通过重复应用微波脉冲。通常，这种脉冲序列也会从一个静态目标自旋删除任何磁信号，但我们也同时反演目标NV自旋与脉冲施加到传感器NV的自旋相位（图3，下面板）维持阶段积累的标志由传感器引起的自旋的自旋目标NV。总获得相转换为总体的差异，这是通过NV自旋相关荧光测量的当NV传感器接近目标钻石表面时，传感器NV的区域灵敏度减少，因为NV传感器荧光部分发射到目标钻石（由于它的高折射率），并且目标NV色心给磁场测量加背景荧光。由于这些效应，我们的在最接近目标NV磁场灵敏度减少到约96 nTHZ-1/2（32Xy脉冲（参考文献21）解耦方案和40微秒的总相位积累时间；补充图S5）。正如目标NV色心嵌入在钻石中，传感器到目标NV色心的垂直距离大约是NV传感器和钻石表面之间距离的两倍。于是，为了我们的单个目标NV旋转的磁场图像，我们期望传感器与目标NV的垂直距离大约为50nm，在传感器NV位置的磁场结果大约是10nm。通过平均NV磁力仪对200200nm的磁场范围的多重扫描获得已期望的靶原子旋转位置为中心的磁场图像。（采用在补充图S3已详细说明的横向漂移校正方案）。应用到磁场测量的一套标准化方案，在这个方案中我们可以交替对目标NV色心进行初始化，初始化为两个状态：“0”状态和“1”状态。并且在NV传感器磁序（补充图S2）期间测量诱发大小相等而相位相反的转换。我们为了这两个最初的目标NV自旋极化减去测量的NV荧光比率，这样把单个目标电子自旋的磁场单独分离出来（补充图S4）。 图3图3|单自旋检测方案和靶电子自旋调制验证。为了去检测NV自旋的磁场，NV色心自旋（顶部面板，蓝色箭头）放在在脉冲波/2下自旋状态的叠加（绕着X轴）。它然后在来自目标色心旋转的磁场的影响下（红色箭头），积累相位（荫庇的蓝色区域，它的延伸是可视的）。为了优化传感器自旋的磁场灵敏度，通过重复使用XY序列脉冲波动态耦合它的环境。为了磁力测量NV色心自旋，它被颠倒了，同步施加脉冲在NV色心的，从NV色心自旋三重态分离一个有效的-1/2系统NV色心在0状态和1状态之间发生调整。所绘的是脉冲1，2，127，128下的被测的NV色心荧光。（使用一个终端/2脉冲传感器的积累相位是转变为一个人口差异，它的Y轴被选来对放大对微小磁场的灵敏度。靠近磁扫描的中心，我们在归一化荧光中从磁序观察到了下跌，这次下跌超过了由于测量噪声等级的不确定性所引起的下跌并且这次下跌与在NV传感器中单个靶电子自旋磁场的效应是一致的。整个磁场图像明确表明了目标电子自旋的存在和位置。通过重复磁场测量的空间凹槽的测量，单个电子自旋检测是被证实了的，伴随这一个结果即磁响应，这磁响应正好符合在传感器和目标NV色心之间的垂直距离512nm。误差是由距离函数2分布决定的，传感器到目标NV的位移是唯一的自由参数并且这些NV色心的方向系数是使用电子自旋谐振独立测量。测量的荧光差异通过使用NV传感器的独立的校准磁场响应和荧光比率转化成磁场图像。从在垂直距离51nm处的单个电子自旋得到两个扫描磁力仪测量与NV传感器对磁场的响应的仿真是一致的。于是，上面的测量是一致的和证实了单个电子自旋的检测和纳米级图像。 图4图4|单自旋磁像。靠近钻石顶部的表面NV色心自旋的磁像。当重复地运转一个交流磁力仪的脉冲顺序（这儿有一个32节拍的XY脉冲序列，有着40us的总演变时间），NV色心是对靶目标横向扫描，靶电子开始在啊0状态自旋的荧光比率和1状态是一样的，他们都是独立记录的。图中所绘的是这些测量之间的区别，仅仅依赖于NV色心传感器的磁场与靶电子自旋的作用并且不是背景荧光的变化（参见补充信息）。在图像中心附近荧光的显著下降表示一个被检测的单电子自旋。b,沿着绿色箭头独立的磁场线条证实了单自旋成像，。强度和宽度与被记录的图像一致使用NV色心传感器的校准灵敏度和荧光比率测得的荧光差异转变为测得的磁场。（补充图55）.c，模拟由于靶电子自旋的荧光。当仅仅传感器-靶电子位移作为一个参数时，自旋信号是模拟的，与垂直距离51nm的自旋图像和线条凹槽是一致的。d，如果传感器-靶电子的垂直距离能够适度的减少，单自旋成像的质量将会显著的提高。图中所绘的是不同传感器-靶电子垂直距离单个靶电子的模拟横向磁场。在50nm处（流体状态），那儿只有一个轮廓，表明了有一个信噪比的单自旋成像；然而，在10nm处，大约100的信噪比是可能的，这些轮廓和靶电子的自旋的偶极波瓣是可以清晰的观察得到的，每镜头一次。在已被证实了的磁场图像中，信噪比为1的电子自旋能够在2.3分钟获得。对于单自旋测量的数据如图4所示已经被集成为一个42分钟每点的总时间，得到信噪比为4.3，我们注意到了与在低温下以往的单自旋成像进行比较减少了15倍多。结合时间与被测目标NV自旋磁场一致并且NV传感器磁场灵敏度是假设噪音是由光子噪音计算出来的。我们注意到了单个电子自旋图像的信噪比随传感器到目标NV的距离的减少而显著增加，因为两极的磁场衰减等于，于是仅仅在距离上微小的提高被要求减少数据集成时间到以秒。由于成功地从单个靶原子的NV自旋测量出了磁场，我们证实了在外界条件下单个、初始化的电子自旋的成像是可能的。在室温条件下，自旋通常没有极化的；然而存在大量的很有趣味的问题如经极化的电子自旋失去了热平衡在理论上可以用磁场检测出来。这些例子包括自旋霍尔效应中的自旋极化电流或拓扑绝缘体，通过铁磁性导体接触的自旋注入载流子，石墨薄膜中的铁磁点缺陷。所有的这些例子都可以在室温下证明出来。这些系统由于他们潜在的机理吸引了很多的关注以及他们在电子自旋和量子计算的应用。迄今为止这样的极化自旋系统看作是研究领域的挑战因为他们磁场太微弱以至于不能成像。因为单自旋灵敏度和纳米级分辨率，我们磁力仪能够惊醒对这些初始自旋系统的磁场测量。 我们注意到已被证实的交流磁场测定技术通常应用与已初始化自旋的系统和很多的现有的方法一样都是从在传感位置的靶电子获得时变的磁场。首先，在做的这项工作当中，传统电子自旋谐振方法在很长的自旋时间内用于轻击分裂的电子自旋。另外，电子自旋极化的许多机理能调整像自旋极化电流，在退磁中操纵电子密度的门电压。最中，传感器到目标靶的距离能定期的改变，使得在传感位置样本上静场梯度对于时变信号的转变。在磁相积累期间，如果在NV传感器上从一个靶电子自旋获得大量的相位，然后一个没有初始化的电子自旋在理论上通过测量它的变化测量出来。如果在磁场测量期间相干的传感器靶原子耦合的足够强，积累的相位比NV传感器的相位多出2。然而，如果一个初始化的靶电子自旋的相干时间和NV传感起的时间一样长，然后靶原子和传感器自旋会缠在一起。结合了量子态的长寿命的存储技术，扫描传感器和目标靶原子自旋的耦合能力允许在固态电子自旋之间的进行量子信息机械传递。2012年11月3号投稿，2012年12月27号被接受；2013年2月13号在网上发表。致谢我们非常感谢六号元素，为了NV传感器和靶原子向我们提供金刚石样品。M.S.G是来自国防部门（NDSEG计划）和美国国家科学基金会的支持。S.H感谢来自kwanjeong奖学金基金会的支持，和P.M感谢瑞士国家科学基金会的友情资助。这项工作得到了DARPA QUEST和QuASAR计划以及MURI QuISM的支持。参考文献1. 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