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文档简介
毕业设计(论文)题目:基于色心金刚石的均匀微波磁场谐振器 的研究学院:专业:姓名:学号:指导教师:年月毕业设计(论文)任务书I、毕业设计(论文)题目:基于色心金刚石的均匀微波磁场谐振器的研究业设计(论文)使用的原始资料(数据)及设计技术要求:1、原始资料:色心金刚石高精度测量实验平台;微波测试设备若干;计算机2、毕设要求:(1)查找色心金刚石和均匀微波磁场相关资料;(2)掌握HFSS微波仿真软件设计使用;(3)提出几种谐振器设计方案,进行微波磁场均匀性设计研究;(4)探索色心金刚石微波系统实验研究。业设计(论文)工作内容及完成时间:1、查阅色心金刚石和均匀微波磁场谐振器资料并撰写开题报告;03.09-03.202、掌握HFSS微波仿真软件的设计使用;03.21-04.153、提出针对色心金刚石应用的均匀微波磁场谐振器的设计方案;04.16-04.304、对设计方案的微波磁场均匀性进行对比总结和优化;05.04-05.155、探索色心金刚石微波系统实验研究;05.16-05.316、总结并撰写论文,答辩。06.01-06.20要参考资料:[1]MarcusW.Doherty,NeilB.Manson,PaulDelaney,etal.Thenitrogen-vacancycolourcentreindiamond[J].PhysicsReports,2013(528):1–45[2]A.Gruber,A.Drabenstedt,C.Tietz,etal.ScanningConfocalOpticalMicroscopyandMagneticResonanceonSingleDefectCenters[J].Science,1997(276):2012-2014[3]AshokAjoy,PaolaCappellaro.Stablethree-axisnuclear-spingyroscopeindiamond[J].PhysicalReviewA,2012,86(062104):1-7.基于色心金刚石的均匀微波磁场谐振器的研究摘要:金刚石中的杂质氮空位中心(简称NV色心)由一个取代碳的氮原子和相邻的一个碳空位组成,它的带电状态是一个负电荷,当吸收一定的微波,会发出荧光,是很好的单光子源,它的基态三重态在零磁场下自然劈裂成能级差为2.87GHz的自旋为0和自旋为1的两个能级。基于金刚石中NV色心系综电子自旋操控和氮原子核自旋操控的研究需求,需要对金刚石内部的NV色心辐射中心频率为2.87GHz的微波,使它的基态三重态发生分裂同时为了更容易的实现自旋操控的组合操控方式。氮原子与NV色心电子产生超精细作用的自旋态能量间隙在MHZ量级,这就要求微波天线需要150MHz左右的带宽,从而能够通过天线在合适的功率下实现最高效率和最高拉比振荡频率的操控氮原子核自旋。对于以NV色心系综为敏感的惯性测量与磁场测量,为了得到有效的测量信号应尽量使系综中各单一自旋受到相同程度的极化与操控,因此要求微波天线在金刚石样品敏感区域内产生均与的微波场,主要包括微波场幅度的均匀性和微波能量传输效率的均匀性。针对实际应用中可能遇到的问题应当考虑微波天线的能量辐射效率,这一点要求微波天线的中心频率较准确的定位在2.87GHz,并且要求天线面积与金刚石样品尺寸差距尽量小以及金刚石样品距离天线尽可能近。另外考虑到实验系统的搭建,最初采用国际通用的单根导线的辐射形式以方便系统的搭建和实验效果的验证。在实现电子自旋和氮原子核自旋的微波操控实验基础之后,将尝试设计多种形式的微波天线来提高微波辐射效率,并同时保证金刚石位置的水平与固定,以及能够平稳的放置在位移平台上,并且要求微波天线能与微波源和微波放大器良好的耦合。关键字:NV色心金刚石电子自旋操控氮原子自旋操控微波中心频率指导老师签名:ThestudyontheresonatorwithuniformmicrowavefieldbasedthecolorcenterdiamondAbstract:DiamondinthenitrogenvacancyCenter(NVCenter)acarbonvacancybyasubstitutionofnitrogenatomsandadjacentcarboncomposition,withanegativechargeoftheNVcenteristhesinglephotonsourceisverygood,itsgroundstatetripletsplittingintothreenaturalenergydifferenceofspin2.87GHz0andspintwolevel1underzeromagneticfield.StudyondemandNVcenterindiamondensembleofspinmanipulationandnitrogennuclearspinmanipulationbasedonneed,diamondradiationcenterfrequencyofthemicrowavesignal2.87GHztorealizetheelectronicgroundstatesplitting.Atthesametimeinordertorealizethecombinationofcontrolspinmanipulationeasier.ThenitrogenatomsandNVproducehyperfineinteractioncenterelectronspinstateenergygapintheorderofMHZ,whichrequiresthemicrowaveantennaneedabout150MHzbandwidthcontrol,thenitrogennucleithuscanrealizethemaximumefficiencyandmaximumRabioscillationfrequencyattherightpowerbyselfrotatingantenna.TheNVCenterforensembleinertialmeasurementandmeasurementofmagneticfieldsensitive,inordertogetthemeasurementsignaleffectivelyshouldtrytomakethesinglespinensemblebypolarizationandmanipulationofthesamedegree,sothemicrowaveantennasareproducedwiththemicrowavefieldindiamondsamplessensitiveregion,includingmicrowavefieldamplitudeanduniformityofthemicrowaveenergytransmissionefficiencyuniformity.Theenergyefficiencyofradiationshouldbeconsideredforthemicrowaveantennamayencounterproblemsinpracticalapplications,thecenterfrequencyrequirementsofmicrowaveantennaaccuratelypositioningin2.87GHz,andtheantennaareaandsamplesizeassmallaspossiblethegapbetweendiamondanddiamondsamplesfromtheantennaascloseaspossible.Consideringtheexperiment,verifytheeffectandbuilttheexperimentalformofradiationinitiallyusingsingleconductortofacilitateinternationalsystem.After.Aftermicrowavecontrolledexperimentsbasedelectronspinandnitrogennuclearspin,willtrytodesignvariousformsofmicrowaveantennatoimprovemicrowaveradiationefficiency,andatthesametimetoensurethepositionofthediamondlevelandfixed,andcanbesmoothlyplacedonthedisplacementplatform,whichisconvenientforantennaandmicrowavesourceandmicrowaveamplifier.
Keywords:NV-color-center-diamondelectron-spin-manipulationnitrogen-spinmanipulationmicrowavecenterfrequencySignatureofSupervisor:TOC\o"1-3"\h\u目录273051引言209171.1选题的依据及意义 (选题依据及意义将待测物原子、分子自旋所产生的弱磁场作为检测对象的生物成像技术,因具有超高测量灵敏度和机体无损检测的特点,在医疗检测领域存在着巨大的应用前景。但现有的生物成像技术在检测过程中,只能检测到几微米甚至几百微米量级的大小,这一空间分辨率针对大多数几微米至几十微米的细胞来说,在检测中会相当模糊甚至无法观察到。在此背景下,金刚石内嵌负价氮原子-空位(negativelychargednitrogen-vacancy,NV–)色心,成为生物成像检测领域新的研究热点。因为该物质对弱磁场具有极强敏感能力,因此可实现超高空间分辨率的磁场测量。《自然》杂志在2014年2月的“特别报道”中,针对该研究在未来传感检测技术领域的引领作用给予了肯定[1]。根据NV–色心金刚石磁场传感的机理,其理论灵敏度可以达到亚fT/Hz1/2量级,空间分辨率可以达到亚nm量级,同时具有启动速度快、测量速度快、超小型、低成本、长寿命及可常温检测等优点。因此,该技术的研究具有重要的研究意义与广阔的应用前景。自从1997年实现了对带单个负电荷的N原子空缺(NV)色心的检测[2]以来,NV研究领域快速扩展,目前NV色心体系被广泛用于量子计算、量子存储、量子传感等领域的研究[3,4],这些领域基本处于原理研究和实验研究阶段。要实现量子计算及存储、量子传感必须对金刚石色心进行自旋极化、自旋操控、自旋检测,而实现这些操作的基础先为金刚石NV色心自旋提供相应频率一定要求的微波磁场,从而使得NV色心基态能级能够被外界操控。对NV色心传送微波是实现基于NV色心金刚石进行物理和生物测量的实验基础。较为传统的微波传输方式主要用于单个色心的实验条件,如单根导线和共面超导等形式。这些微波传送方式往往只在某一定点即单个NV色心处表现出较好的微波磁场传送效果。同时由于单个色心在磁测量等应用中表现出的低信噪比特性,目前的研究热点普遍转移到NV色心系综上来,而传统的单根导线微波传送方式已经不能有效的对NV色心系综产生微波耦合,可见对NV色心系综提供满足一定均匀度的微波磁场显得尤为重要。目前微波天线技术已经非常成熟的应用于通信、传输等各个领域,在NV色心金刚石电子自旋操控与核自旋操控应用背景下,研究适合于NV色心金刚石尺寸、辐射均匀性以及频带宽度的微波天线是进行基于金刚石NV色心系综磁测量等应用的基础与前提。本课题基于北京航空航天大学结构限域介质材料与内嵌原子操控惯性测量平台,利用HFSS仿真软件提出几种新型微波磁场谐振腔设计方案,并对各方案的磁场均匀性进行对比总结从而进一步优化方案设计,最终探索用于平台实验研究的微波磁场谐振腔应用效果,以对金刚石色心的自旋极化、自旋操控、自旋检测进行探索性研究。二、国内外研究概况及发展趋势目前世界上研究NV-色心金刚石的几大研究小组,如Budker小组、Wrachup小组、Walsworth小组以及杜江峰小组普遍采用单根导线辐射微波的形式,如图1所示,这种形式的微波天线制作简单易于操作并且能够实现自选操控等实验要求。图1单根导线式微波辐射方式德州农机大学实验室设计使用的位于金刚石样品四角位置的细长镀膜天线,其博士论文中主要运用了两种形式的光刻镀膜天线,能够实现较大平面的辐射范围和有效的自旋操控。如图2所示:图2金刚石上光刻镀膜辐射方式如图3所示杜江峰小组除了单根导线模式还正在尝试应用镀膜波导和谐振腔体方式辐射微波。中科院物理所潘新宇老师小组也采用了单根导线形式和镀膜波导两种辐射方式。同时,还有小组将微波单根导线与静磁场线圈集成光刻在金刚石样品上的辐射方式,也得到了有效地实际应用。图3金刚石镀膜波导辐射方式金刚石NV色心基态分裂本质上属于电子自旋共振(ESR),基于此原理可以借鉴不同应用背景下对固态薄片型样品辐射微波场天线的设计方法。如图4所示的微带线式天线是将长条状的金属线并排镀在基板上,并用功分器对每一条镀线进行耦合并激励,从而在距离镀线上方几百微米处提供100×1000μm2区域的微波信号,均匀度达到10-2的微波磁场强度均匀区,同时均匀区的宽度与镀线条数成正比。此均匀区的尺寸适合目前尺寸下的金刚石样品中的NV-色心系综的位置范围。图4基板上微带线辐射方式哈佛大学实验室与2014年发表的关于为金刚石NV色心提供均匀有效大强度微波磁场的论文,其中设计应用的微波辐射天线如图5所示,为双开缝环形贴片天线。能够提供比圆形或单根导线的馈送方式大50倍的区域内8倍的微波场强,拉比振荡频率也相应提高了数倍。图5双开缝环形天线辐射方式在原子钟系统中也有微波的应用,为了将双频铷原子钟小型化,微波腔的小型化显得至关重要。论文中实现了辐射体积小于1cm的有效谐振腔微波辐射方式。谐振腔的方式也可借鉴到金刚石NV色心系综系统中,但荧光的收集方式目前制约了这种方式的实际应用,可以考虑在谐振腔内镀金属反射膜来提高荧光收集率但同时金属对谐振腔的振动振动模态也会产生影响。图6原子钟微波腔设计图和实物图高频结构仿真器(HighFrequencySimulatorStructureHFSS)是一款常用的功能完备、计算准确的全波三维电磁场仿真软件,是业界公认的三维电磁场设计和分析的工业标准,可分析仿真任意三维无源结构的高频电磁场,能直接得到特征阻抗、传播常数、S参数及电磁场、辐射场、天线方向图等结果。通过这款软件仿真微波天线能够实现一下功能:(1)可通过交互式界面输入高频元件的几何结构、材料类型、端口位置、端口特征阻抗定义线等参数;(2)可按指定的精度计算多端口结构端口处的S参数;(3)以电场强度E和磁场强度H作为基本物理量,从麦克斯韦方程出发,求解微波元件中的电场和磁场的分布和各种曲线图形。以上几点功能分别对应于色心金刚石微波天线仿真过程中的模型建立、激励添加和结果分析。三、研究内容及实验方案3.1研究内容(1)对金刚石NV色心、微波传感相关知识的基本掌握;(2)掌握HFSS仿真软件的使用;(3)掌握几种微波磁场谐振器的设计,包括单根导线、微带天线、共面超导和腔等形式;(4)对几种不同形式的谐振器磁场均匀性进行对比,总结变化规律并优化设计;(5)探索新型微波磁场谐振器在平台实验中的表现效果。3.2实验方案利用金刚石NV色心材料进行磁测量实验装置如图7所示,本课题主要研究微波系统中为NV色心金刚石提供均匀微波磁场的谐振器,通过仿真设计优化并最终用于实验装置中。根据NV色心的能级图如图8所示,需要对金刚石辐射中心频率在2.87GHz的微波信号来实现电子基态的分裂。同时为了更容易的实现自旋操控和得到更长的退相干时间,实验中将采用NV-电子自旋操控与氮原子核自旋操控的组合操控方式。氮原子与NV-色心电子产生超精细作用的自旋态能量间隙在MHz量级,这就要求微波天线需要150MHz左右的带宽,从而能够通过天线在合适的功率下实现最高效率和最高拉比振荡频率的操控氮原子核自旋。对于以NV色心系综为敏感源的惯性测量与磁场测量,为了得到有效的测量信号应尽量使系综中各单一自旋受到相同程度的极化与操控,因此要求微波天线在金刚石样品敏感区域内产生均匀的微波场,主要包括微波场幅度的均匀性和微波能量传输效率的均匀性。图7结构限域介质材料惯性测量系统总设计图图8NV-色心金刚石能级跃迁图四、目标、主要特色及工作进度4.1目标基于金刚石NV色心高精度测量实验平台,利用HFSS高频结构仿真器,为NV色心系综设计均匀有效的微波磁场谐振器,提出集中新型均匀微波磁场谐振器设计方案,并对仿真结果进行对比分析从而进一步优化设计方案。最终探索新型均匀微波磁场谐振器用于实验研究的微波耦合效果。4.2主要特色本课题是主要基于金刚石NV色心高精度测量实验平台进行的均匀微波磁场谐振器设计研究,应用背景新颖独特,设计思路在国内外具有创新性,具有较高的可行性和实用性。4.3工作进度查阅色心金刚石和均匀微波磁场谐振器资料并撰写开题报告;03.09-03.20掌握HFSS微波仿真软件的设计使用;03.21-04.15提出针对色心金刚石应用的均匀微波磁场谐振器的设计方案;04.16-04.30对设计方案的微波磁场均匀性进行对比总结和优化;05.04-05.15探索色心金刚石微波系统实验研究;05.16-05.31总结并撰写论文,答辩。06.01-06.20参考文献[1]E.Bigney,Flawedtoperfection:Ultra-puresyntheticdiamondsofferadvancesinfieldsfromquantumcomputingtocancerdiagnostics,Nature,505,2014,472-474.[2]D.LeSage,L.M.Pham,N.Bar-Gill,C.Belthangady,M.D.Lukin,A.Yacoby,R.L.Walsworth.Efficientphotondetectionfromcolorcentersinadiamondopticalwaveguide[J].PhysicalReviewB,2012,85(12):121202-4.[3]DmitryBudker.Thesenseofcolourcentres[J].NaturePhysics,2011,(7):453-454.[4]DmitryBudker.Thesenseofcolourcentres[J].NaturePhysics,2011,(7):453-454.[5]AshokAjoy,PaolaCappellaro.Stablethree-axisnuclear-spingyroscopeindiamond[J].PhysicalReviewA,2012,86(062104):1-7.[6]MalcolmH.Levitt,SpinDynamics-BasicsofNuclearMagneticResonance[M].secondedition.JohnWiley&Sons,Ltd,2008,(1,2):1-49[7]ChangdongKim,UltrasensitivemagnetometryandImagingwithNVdiamond[D].KoreaUniversityPHDdissertation,2012[8]J.P.DMartin.Finestructureofexcitede-3stateinnitrogen-vavancycentreofdiamond.J.Lumin.1999,81:237[9]A.LenefandS.C.RandElectronicstructureoftheNVcenterindiamond:Theory.Phys.Rev.B,1996.53:13441[10]J.H.HLoubserandJ.A.V.Wyk.ElectronSpinresonanceinthestudyofdiamond.Rep.Prog.Phys,1978,41,1201[11]胡欣.金刚石中的氮空位中心单电子自旋的量子调控[D].南开大学硕士学位论文.2010:1-6.[12]李明洋,刘敏.HFSS天线设计[M].第二版.北京:电子工业出版,2014.4[13]李明洋,刘敏.HFSS电磁仿真设计从入门到精通[M].北京:人民邮电出版社,2013.1[14]曹善勇.AnsoftHFSS磁场分析与应用实例[M].北京:中国水利出版社,2013.4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:专业名称:班级学号:学生姓名:指导教师:年月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,andA.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96nTHZ-1/2(32πXy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200×200nm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π/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π/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χ2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2π。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DARPAQUEST和QuASAR计划以及MURIQuISM的支持。参考文献1.Mansfield,P.Snapshotmagneticresonanceimaging(Nobellecture).Angew.Chem.Int.EdnEngl.43,54565464(2004).2.Rabi,I.I.,Zacharias,J.R.,Millman,S.&Kusch,P.Anewmethodofmeasuringnuclearmagneticmoment.Phys.Rev.53,318(1938).3.Bloch,F.Nuclearinduction.Phys.Rev.70,460474(1946).4.Glover,P.&Mansfield,P.Limitstomagneticresonancemicroscopy.Rep.Prog.Phys.65,14891511(2002).5.Martin,Y.&Wickramasinghe,H.K.Magneticimagingby`forcemicroscopy'with1000Åresolution.Appl.Phys.Lett.50,14551457
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