金刚石NV色心的实时电荷初始化以增强自旋读出
发布时间 : 2020/05/18 阅读次数 : 129

基于掺杂金刚石中的氮-空位体系(NV色心)的谱学技术,具有超高的探测本领,在物理、化学、生物等不同的学科领域均具有广泛而重要的应用前景。我们本着分享和服务的宗旨,根据顶级期刊、权威新闻对部分相关文章进行中文导读。欢迎大家在本文下方留言区进行留言讨论,如内容有错误疏漏之处,也欢迎各位专家学者补充及批评指正,共同提高本系列文章内容服务质量,谢谢。


金刚石NV色心的实时电荷初始化以增强自旋读出


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不完全的状态初始化是影响量子比特系统性能一种常见的障碍。金刚石氮空位(NV)色心的初始化保真度就会受限于光泵浦期间缺陷电荷态跳变。在这项研究中,研究者们则使用实时控制来确定性地初始化室温下NV色心的电荷态。他们实验证明了最大电荷初始化保真度为(99.4±0.1)%,并提出了初始化过程的定量模型,且发现该模型可以对自旋读出信噪比进行系统级优化。即使与初始化序列相关的耗时被考虑在内,在保持相同信噪比的情况下,使电荷初始化保真度从稳态75%增加到接近100%让实验进程加速2倍。结合基于自旋-电荷转换的高保真读出,实时初始化与传统方法相比在速度上有了20倍的提高,基于此可推测单NV色心ac磁灵敏度约为1.3 nT/Hz1/2。另外,实时控制方法对于NV色心的量子传感应用以及用于探测电荷相关物理学也是有即时效益的,并且它还将支撑用于多量子比特系统的量子反馈控制协议。


Real-Time Charge Initialization of Diamond Nitrogen-Vacancy Centers for Enhanced Spin Readout

David A. Hopper, et al.

https://doi.org/10.1103/PhysRevApplied.13.024016


纵向自旋弛豫模型在点缺陷量子比特系统中的应用


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近年来,半导体中可控、部分孤立的少能级系统由于其在纳米尺度精密测量和量子技术中广泛应用得到了多学科的关注。对这类系统的动力学和相关应用进行定量模拟是一项具有挑战性的理论任务,因为不仅要对少能级系统,且对其局部环境都是需要进行精确描述的。这项工作中,研究者提出了一种方法,用以描述由稀疏自旋库导致的弛豫过程,自旋库由核自旋与电子自旋组成。该方法是在中心自旋体系的簇近似框架下应用了一种扩展的Lindblad方程。分析结果表明,该方法可以准确描述典型的固态点缺陷量子比特系统(特别是金刚石中的NV色心)在不同磁场和应力下的T1时间。


Longitudinal spin relaxation model applied to point-defect qubit systems

Viktor Ivády

https://doi.org/10.1103/PhysRevB.101.155203


光泵浦自旋极化作为多体热化探针


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已知无序和多体相互作用以相互竞争的方式影响运输和热化,任何一种占主导的情况都会导致根本不同的动力学演化。本篇文献主要研究了金刚石中13C的自旋扩散动力学,其中动力学核极化是通过室温下对NV色心自旋光泵浦来实现的。研究者们专注于低丰度,强超精细耦合的核自旋。通过变频的射频激发,可以测到块材中13C的磁共振信号,从而揭示其在极化输运中起到的作用。出乎意料的是,他们在整个核自旋库中发现的良好热接触实际上与超精细耦合强度无关,经分析可将其归因于电子自旋系综传导的等效碳-碳相互作用。尤其是在整个超精细耦合范围内的观测表明,核自旋扩散常数值会比同核自旋耦合所预期的值高出两个数量级。


Optically pumped spin polarization as a probe of many-body thermalization

Daniela Pagliero,et al.

https://doi.org/10.1126/sciadv.aaz6986



量子钻石单自旋谱仪技术及应用综述


单量子态的探测与调控及分子尺度的成像技术是精密谱学仪器发展的重要方向。随着对磁探测技术的深入探索,国仪量子自主生产研发的量子钻石单自旋谱仪,基于掺杂金刚石中的氮-空位体系的谱学技术,具有超高的磁探测本领,在物理、化学、生物、材料、医学等不同的学科具有广泛而重要的应用前景。


目前,国仪量子已掌握基于NV体系的核心技术,并具备成熟的制造工艺,成功研制了量子钻石单自旋谱仪。该谱仪通过控制光、电、磁等基本物理量,利用ODMR技术实现对钻石中氮—空位(NV色心)发光缺陷的自旋进行量子操控与读出,与传统顺磁共振、核磁共振相比,谱仪具有以下特点:


初态是量子纯态,易于初始化、操控和读出;NV色心的基电子自旋态可以通过光跃迁进行量子态的初始化和读出,利用微波进行量子态的操控。

自旋量子相干时间长,长相干时间能够保证较长的相干操控及光信号积累。

超高灵敏度与超高分辨率;由于NV色心的光学性质及其电子波函数特性,制备的单量子干涉仪测量磁场灵敏度可达10-9 T量级,NV色心系综甚至达到了10-13 T量级,其磁场测量空间分辨率可达到亚纳米。

可以在室温大气条件下运行,对于生物样品有良好的兼容性。

具备高保真度量子自旋态调控技术,通过自主研发的50 ps时间精度脉冲发生器以及宽带高功率微波调制器件,能够实现对自旋低噪声、高效、快速的量子相干操控。下文图4为装置拓扑图,谱仪配套了高智能化控制与信号采集软件,能够实现自动光路调节、自动磁场调节以及长时间的无人值守自动测样实验。


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