کامپیوتر و ریاضی با علی رضا نقش

ساختار اتمی ساده شده مرکز NV

مرکز خالی نیتروژن ( مرکز NV یا مرکز NV ) یکی از عیوب نقطه ای متعدد در الماس است. کاوش‌شده‌ترین و مفیدترین ویژگی آن نورتابی آن است که به ناظران اجازه می‌دهد تا حالت اسپین آن را بخوانند. اسپین الکترونی مرکز NV که در مقیاس اتمی موضعی است، می تواند در دمای اتاق توسط عوامل خارجی مانند میدان های مغناطیسی یا الکتریکی ، تابش امواج مایکروویو یا نور دستکاری شود و در نتیجه تشدید شدید در شدت نورتابی نور ایجاد شود. این رزونانس ها را می توان بر حسب پدیده های مرتبط با اسپین الکترون توضیح داددرهم تنیدگی کوانتومی ، اندرکنش اسپین-مدار و نوسانات رابی ، و با استفاده از تئوری اپتیک کوانتومی پیشرفته تحلیل شد. یک مرکز NV فردی می تواند به عنوان یک واحد پایه برای یک کامپیوتر کوانتومی ، یک کیوبیت و برای رمزنگاری کوانتومی استفاده شود. کاربردهای بالقوه بیشتر در زمینه های جدید الکترونیک و سنجش شامل اسپینترونیک ، میزر و حسگرهای کوانتومی است. اگر بار مشخص نشده باشد، اصطلاح "NV Center" به مرکز NV - دارای بار منفی اشاره دارد .

ساختار [ ویرایش ]

تصاویر پایین نقشه های فوتولومینسانس فضایی (PL) قبل و بعد از اعمال ولتاژ +20 ولت به یک دیود شاتکی مسطح هستند. تصویر بالا آزمایش را نشان می دهد. نقشه‌های PL تبدیل مراکز NV 0 به مراکز NV- را نشان می‌دهند که به صورت نقاط روشن ظاهر می‌شوند. [1]

مرکز جای خالی نیتروژن یک نقص نقطه ای در شبکه الماس است . این شامل یک جفت همسایه از یک اتم نیتروژن است که جایگزین یک اتم کربن می شود و یک جای خالی شبکه .

دو حالت بار این نقص، خنثی NV 0 و منفی NV- ، از مطالعات طیف‌سنجی با استفاده از جذب نوری ، [2] [3] فوتولومینسانس (PL)، [4] رزونانس پارامغناطیس الکترونی (EPR) [5] [6] شناخته شده‌اند. [7] و تشدید مغناطیسی شناسایی شده نوری (ODMR)، [8] که می تواند به عنوان ترکیبی از PL و EPR در نظر گرفته شود. بیشتر جزئیات ساختار از EPR سرچشمه می گیرد. اتم نیتروژن از یک طرف دارای پنج الکترون ظرفیتی است. سه تای آنها کووالانسی هستندبه اتم های کربن پیوند می خورند، در حالی که دو اتم دیگر غیرپیوندی باقی می مانند و یک جفت تنها نامیده می شوند . از طرف دیگر جای خالی سه الکترون جفت نشده دارد. دو تای آنها یک پیوند شبه کووالانسی تشکیل می دهند و یکی جفت نشده باقی می ماند. تقارن کلی، با این حال، محوری است (سه ضلعی C 3V ). می توان این موضوع را با تصور سه الکترون خالی جفت نشده در حال مبادله پیوسته نقش خود تجسم کرد.

بنابراین NV 0 یک الکترون جفت نشده دارد و پارامغناطیس است. با این حال، علی‌رغم تلاش‌های گسترده، سیگنال‌های رزونانس پارامغناطیسی الکترون از NV 0 برای چندین دهه تا سال 2008 از تشخیص اجتناب کردند . سیگنال‌های حالت پایه احتمالاً برای تشخیص EPR بسیار گسترده هستند. [9]

مراکز NV 0 را می توان با تغییر موقعیت سطح فرمی به NV - تبدیل کرد. این را می توان با اعمال ولتاژ خارجی به یک اتصال pn ساخته شده از الماس دوپ شده، به عنوان مثال، در دیود شاتکی به دست آورد. [1]

در حالت بار منفی NV- ، یک الکترون اضافی در محل خالی قرار دارد و یک جفت اسپین S=1 را با یکی از الکترون های خالی تشکیل می دهد. همانطور که در NV 0 ، الکترون های خالی در حال "تبادل نقش" هستند و تقارن مثلثاتی کلی را حفظ می کنند. این حالت NV- چیزی است که معمولاً و تا حدودی نادرست «مرکز خالی نیتروژن» نامیده می شود. حالت خنثی معمولاً برای فناوری کوانتومی استفاده نمی شود.

مراکز NV به طور تصادفی در داخل یک کریستال الماس جهت گیری می کنند. تکنیک های کاشت یون می تواند ایجاد مصنوعی آنها را در موقعیت های از پیش تعیین شده امکان پذیر کند. [10]

تولید [ ویرایش ]

مقاله اصلی: عیوب کریستالوگرافی در الماس

مراکز خالی نیتروژن معمولاً از مراکز تک جایگزین نیتروژن (که در ادبیات الماس مراکز C یا P1 نامیده می شود) توسط تابش و سپس بازپخت در دمای بالای 700 درجه سانتیگراد تولید می شوند. [2] طیف وسیعی از ذرات پرانرژی برای چنین تابش‌هایی مناسب است، از جمله الکترون‌ها، پروتون‌ها، نوترون‌ها، یون‌ها و فوتون‌های گاما. پرتودهی باعث ایجاد جاهای خالی شبکه می شود که بخشی از مراکز NV هستند. آن جاهای خالی در دمای اتاق بی حرکت هستند و برای جابجایی آنها نیاز به بازپخت کردن است. نیتروژن جایگزین تنها باعث ایجاد کرنش در شبکه الماس می شود. [11] بنابراین به طور موثری جاهای خالی متحرک را ضبط می کند، [12] مراکز NV را تولید می کند.

در طی رسوب بخار شیمیایی الماس، بخش کوچکی از ناخالصی نیتروژن جایگزین منفرد (معمولا <0.5٪) جای خالی ایجاد شده در نتیجه سنتز پلاسما را به دام می اندازد. چنین مراکز خالی نیتروژن ترجیحاً در جهت رشد قرار دارند. [13]

الماس به دلیل داشتن کرنش شبکه نسبتاً بزرگ بدنام است. کرنش تقسیم می شود و انتقال نوری را از مراکز جداگانه تغییر می دهد که منجر به ایجاد خطوط گسترده در مجموعه مراکز می شود. [2] مراقبت ویژه برای تولید خطوط NV بسیار تیز (عرض خط ~ 10 مگاهرتز) [14] مورد نیاز برای اکثر آزمایش‌ها انجام می‌شود: الماس‌های مصنوعی با کیفیت بالا، طبیعی خالص یا بهتر (نوع IIa) انتخاب می‌شوند. بسیاری از آنها در حال حاضر دارای غلظت کافی از مراکز NV رشد یافته هستند و برای کاربردها مناسب هستند. اگر نه، آنها توسط ذرات پرانرژی تابش می شوند و آنیل می شوند. انتخاب یک دوز تابش مشخص اجازه تنظیم غلظت مراکز NV تولید شده را می دهد به طوری که مراکز NV منفرد با فواصل میکرومتری از هم جدا می شوند. سپس، مراکز NV فردی را می توان با استاندارد مطالعه کردمیکروسکوپ های نوری یا بهتر است میکروسکوپ های نوری روبشی میدان نزدیک با وضوح زیر میکرومتر. [8] [15]

ساختار سطح انرژی شماتیک مرکز NV. انتقال الکترون بین حالت های زمین 3 A و 3 E برانگیخته، که با 1.945 eV (637 نانومتر) از هم جدا شده اند، جذب و لومینسانس می کنند. حالت 3 A با 2.87 گیگاهرتز [16] [17] و حالت 3 E با 1.42 گیگاهرتز تقسیم می شود. [18] اعداد 0، 1± عدد کوانتومی اسپین m s را نشان می دهد . شکافتن به دلیل انحطاط مداری نشان داده نشده است.

ساختار سطح انرژی [ ویرایش ]

مرکز NV دارای یک سه گانه حالت پایه ( 3 A) ، یک سه گانه حالت برانگیخته ( 3 E) و دو تک حالت متوسط ​​( 1 A و 1 E) است. [یادداشت 1] [19] [20] هر دو 3 A و 3 E حاوی حالت‌های اسپین ms = 1 ± هستند، که در آن دو اسپین الکترون در یک راستا قرار می‌گیرند (یا بالا، به طوری که ms = +1 یا پایین، به طوری که m s = -1)، و یک حالت اسپین ms = 0 که در آن اسپین های الکترون ضد موازی هستند. به دلیل برهمکنش مغناطیسی، انرژی m s1± حالت بالاتر از حالت ms = 0 است. 1 A و 1 E فقط دارای یک تک حالت چرخشی هستند که هر کدام m s = 0 دارند.

اگر یک میدان مغناطیسی خارجی در امتداد محور نقص (محوری که با اتم نیتروژن و جای خالی همسو می‌شود) مرکز NV اعمال شود، بر حالت‌های ms = 0 تأثیر نمی‌گذارد ، اما سطوح ms = 1± را تقسیم می‌کند . ( اثر زیمن ). به طور مشابه، سایر ویژگی‌های محیط زیر بر نمودار سطح انرژی تأثیر می‌گذارد (که بیشتر در قسمت #اثر میدان‌های خارجی مورد بحث قرار گرفته است ) :

1. دامنه و جهت یک میدان مغناطیسی ساکن سطوح ms = 1 ± را در حالت های زمین و برانگیخته تقسیم می کند .
2. دامنه و جهت میدان‌های الاستیک (کرنش) یا الکتریکی [21] [22] تأثیرات بسیار کوچک‌تر اما پیچیده‌تری بر سطوح مختلف دارد.
3. تشعشعات مایکروویو موج پیوسته (که در رزونانس با انتقال بین ms = 0 و (یکی از) ms = 1 حالت اعمال می شود) جمعیت سطوح فرعی را در سطح زمین و حالت برانگیخته تغییر می دهد. [22]
4. یک لیزر قابل تنظیم می تواند به طور انتخابی سطوح فرعی خاصی از زمین و حالت های برانگیخته را تحریک کند. [22] [23]
5. چرخش های اطراف و تعامل اسپین-مدار میدان مغناطیسی تجربه شده توسط مرکز NV را تعدیل می کند.
6. دما و فشار بر بخش‌های مختلف طیف از جمله جابجایی بین حالت‌های زمین و حالت برانگیخته تأثیر می‌گذارند.

ساختار انرژی توصیف شده در بالا [یادداشت 2] به هیچ وجه برای نقص در الماس یا سایر نیمه هادی ها استثنایی نیست. [24] این ساختار به تنهایی نبود، بلکه ترکیبی از چندین عامل مطلوب (دانش قبلی، تولید آسان، زیست سازگاری، اولیه سازی ساده، استفاده در دمای اتاق و غیره) بود که استفاده از مرکز NV را به عنوان یک سنسور کیوبیت و کوانتومی پیشنهاد کرد. .

خواص نوری [ ویرایش ]

جذب نوری و انتشار مرکز NV- در دمای اتاق.

مراکز NV نور قرمز روشن ( 3 E → 3 A انتقال) را ساطع می کنند، اگر با نور سبز مرئی ( 3 A → 3 E انتقال) برانگیخته شوند . این کار را می توان با منابع نوری مناسب مانند لیزرهای آرگون یا کریپتون، لیزرهای Nd:YAG با فرکانس دو برابر شده ، لیزرهای رنگی یا لیزرهای He-Ne انجام داد. تحریک همچنین می تواند در انرژی های کمتر از تابش فونون صفر به دست آید . [25]

از آنجایی که زمان استراحت از حالت برانگیخته کوچک است (~10 ns )، [26] [27] انتشار تقریباً بلافاصله پس از برانگیختگی اتفاق می‌افتد. در دمای اتاق، طیف نوری مرکز NV به دلیل انبساط حرارتی، پیک تیز نشان نمی دهد. با این حال، خنک کردن مراکز NV با نیتروژن مایع یا هلیوم مایع به طور چشمگیری خطوط را به عرض چند مگاهرتز کاهش می دهد. در دمای پایین نیز می توان به طور خاص خط فونون صفر (ZPL) را نشان داد.

یکی از ویژگی های مهم درخشندگی از مراکز NV منفرد، پایداری زمانی بالای آن است. در حالی که بسیاری از ساطع کننده های تک مولکولی پس از انتشار 10 فوتون 6-108 سفید می شوند (یعنی حالت بار خود را تغییر می دهند و تاریک می شوند) ، سفید شدن برای مراکز NV در دمای اتاق بعید است. [28] [15] نور لیزر قوی، با این حال، ممکن است برخی از NV - را به مراکز NV 0 نیز تبدیل کند. [4]

به دلیل این ویژگی ها، روش ایده آل برای رسیدگی به مراکز NV، میکروسکوپ کانفوکال است ، هم در دمای اتاق و هم در دمای پایین.

دستکاری حالت [ ویرایش ]

دینامیک چرخش در مرکز NV در الماس. انتقال اولیه بین سه قلوهای زمین و حالت برانگیخته، حفظ چرخش است. واپاشی از طریق منفردهای میانی با تبدیل اسپین از m s = 1± به m s = 0 ، باعث قطبش اسپین می شود . [30] [31] علاوه بر این، اثر یک میدان مغناطیسی ساکن B 0 در امتداد محور نقص و تغییر زیمن حاصل نشان داده شده است. در اینجا γ nv به نسبت ژیرو مغناطیسی اشاره داردمرکز NV در بسیاری از کاربردها، از دو سطح حالت پایه به عنوان کیوبیت استفاده می شود. [32] انتقال در این سیستم موثر دو سطحی ، ممکن است با استفاده از یک میدان مایکروویو القا شود. 3E-1A و 1E-3A انتقال های غیر تشعشعی هستند.

دستکاری اسپین نوری [ ویرایش ]

انتقال نوری باید کل اسپین را حفظ کند و فقط بین سطوح همان اسپین کل رخ دهد. به طور خاص، انتقال بین حالت زمین و حالت برانگیخته (با اسپین برابر) را می توان با استفاده از لیزر سبز رنگ با طول موج 546 نانومتر القا کرد. انتقال 3 E→ 1 A و 1 E→ 3 A غیر تابشی هستند، در حالی که 1 A → 1 E دارای مسیر فروپاشی غیر تابشی و فروسرخ است.

نمودار سمت راست حالت های چند الکترونیکی مرکز NV را نشان می دهد که بر اساس تقارن آنها (E یا A) و حالت چرخش آنها (3 برای یک سه گانه (S=1) و 1 برای یک تک (S=0)) برچسب گذاری شده است. . دو حالت سه گانه و دو حالت منفرد میانی وجود دارد. [33]

راه اندازی حالت چرخشی [ ویرایش ]

یک ویژگی مهم انتقال غیر تشعشعی بین 3 E و 1 A این است که برای m s = 1 ± قوی تر و برای m s = 0 ضعیف تر است. این اساس یک استراتژی دستکاری بسیار مفید را فراهم می کند که به آن مقداردهی اولیه حالت چرخشی می گویند . (یا قطبش اسپین نوری). برای درک فرآیند، ابتدا یک تحریک خارج از تشدید را در نظر بگیرید که فرکانس بالاتری (معمولاً 2.32 eV (532 نانومتر)) نسبت به فرکانس‌های همه انتقال‌ها دارد و بنابراین در باندهای ویبرونیک برای همه انتقال‌ها قرار می‌گیرد. با استفاده از یک پالس به این طول موج، می توان تمام حالت های اسپین را از 3 A تا 3 E برانگیخت. یک مرکز NV در حالت پایه با m s= 0 به دلیل حفظ اسپین به حالت برانگیخته مربوطه با m s = 0 برانگیخته می شود. پس از آن به حالت اولیه خود باز می گردد. برای حالت پایه با ms = 1±، وضعیت متفاوت است. پس از تحریک، احتمال نسبتاً بالایی برای واپاشی به حالت میانی 1 A با انتقال غیر تشعشعی [یادداشت 3] [34] و بیشتر به حالت پایه با m s = 0 دارد. پس از چرخه های زیاد، حالت مرکز NV (مستقل از اینکه در m s = 0 یا m s = ± 1 شروع شده باشد) به حالت پایه ms = 0 ختم می شود. از این فرآیند می توان برای مقداردهی اولیه حالت کوانتومی یک کیوبیت استفاده کردبرای پردازش اطلاعات کوانتومی یا سنجش کوانتومی .

گاهی اوقات قطبی پذیری مرکز NV با این ادعا توضیح داده می شود که انتقال از 1 E به حالت پایه با ms = 1± کوچک است، در مقایسه با انتقال به ms = 0. با این حال، نشان داده شده است که در مقایسه با احتمال فروپاشی کم برای ms = 0 حالات wrt m s = 1 ± حالات در 1 A برای توضیح قطبی شدن کافی است. [35]

اثرات فیلدهای خارجی [ ویرایش ]

دستکاری چرخش مایکروویو [ ویرایش ]

تفاوت انرژی بین حالت‌های ms = 0 و ms = 1 ± مربوط به رژیم مایکروویو است. جمعیت را می توان با اعمال میدان مغناطیسی تشدید عمود بر محور نقص بین حالت ها منتقل کرد. اثرات دینامیکی متعددی ( پژواک اسپین ، نوسانات رابی ، و غیره) را می توان با اعمال یک دنباله پالس های مایکروویو با دقت طراحی شده مورد بهره برداری قرار داد. [36] [37] [38] [39] [40] چنین پروتکل‌هایی برای تحقق عملی کامپیوترهای کوانتومی بسیار مهم هستند . با دستکاری جمعیت، می توان مرکز NV را به یک مرکز حساس تر تبدیل کردیا حالت پایدار [41] [42] میدان‌های نوسانی حاصل از خود نیز ممکن است برای تأثیرگذاری بر هسته‌های اطراف [43] یا محافظت از خود مرکز NV از نویز استفاده شوند. [44] این کار معمولاً با استفاده از یک حلقه سیم (آنتن مایکروویو) انجام می شود که یک میدان مغناطیسی نوسانی ایجاد می کند. [45]

تأثیر عوامل خارجی [ ویرایش ]

اگر یک میدان مغناطیسی در امتداد محور نقص باشد، منجر به شکافتن زیمن می‌شود که ms = +1 را از حالت‌های ms = -1 جدا می‌کند. این تکنیک برای بالا بردن انحطاط و استفاده از تنها دو حالت اسپین (معمولا حالت های پایه با ms = -1 و ms = 0) به عنوان کیوبیت استفاده می شود. سپس جمعیت را می توان با استفاده از یک میدان مایکروویو بین آنها منتقل کرد. در نمونه خاصی که میدان مغناطیسی به 1027 G (یا 508 G) می رسد، m s = -1 و m s = 0 حالت در حالت زمین (یا برانگیخته) از نظر انرژی برابر می شود (ضد عبور سطح زمین/ حالت هیجان زده). برهمکنش قوی زیر منجر به به اصطلاح قطبش اسپین می‌شود که به شدت بر شدت جذب نوری و انتقال‌های لومینسانس مربوط به آن حالت‌ها تأثیر می‌گذارد. [18]

نکته مهم این است که این تقسیم را می توان با اعمال یک میدان الکتریکی خارجی ، [21] [22] به روشی مشابه با مکانیسم میدان مغناطیسی که در بالا ذکر شد، مدوله کرد، اگرچه فیزیک تقسیم تا حدودی پیچیده تر است. با این وجود، یک نتیجه عملی مهم این است که شدت و موقعیت خطوط لومینسانس تعدیل شده است. کرنش اثری مشابه میدان الکتریکی بر روی مرکز NV دارد.

یک تقسیم اضافی از سطوح انرژی ms = 1 ± وجود دارد که از برهمکنش بسیار ظریف بین اسپین های هسته ای اطراف و مرکز NV سرچشمه می گیرد. این اسپین‌های هسته‌ای میدان‌های مغناطیسی و الکتریکی خود را ایجاد می‌کنند که منجر به اعوجاج بیشتر طیف NV می‌شود. همچنین تعامل اسپین-مدار خود مرکز NV و انحطاط مداری منجر به تقسیم سطح اضافی در حالت 3 E برانگیخته می شود.

دما و فشار مستقیماً بر ترم میدان صفر مرکز NV تأثیر می‌گذارند که منجر به تغییر بین سطح زمین و حالت برانگیخته می‌شود.

معادله همیلتونی ، یک معادله مکانیکی کوانتومی که دینامیک یک سیستم را توصیف می کند، که تأثیر عوامل مختلف را بر مرکز NV نشان می دهد، در زیر آمده است.

اگرچه می تواند چالش برانگیز باشد، اما همه این اثرات قابل اندازه گیری هستند و مرکز NV را به یک کاندیدای عالی برای یک حسگر کوانتومی تبدیل می کند . [42]

دستکاری وضعیت شارژ [ ویرایش ]

همچنین امکان تغییر وضعیت شارژ مرکز NV (یعنی بین NV − , NV + و NV 0 ) با اعمال ولتاژ گیت وجود دارد. [46]

برنامه های کاربردی بالقوه [ ویرایش ]

اسکن میکروسکوپ حرارتی با استفاده از مرکز NV.
(الف) شماتیک های تنظیم تجربی. یک جریان الکتریکی به بازوهای یک کنسول AFM ( Si، P:Si دوپ شده با فسفر ) اعمال می شود و بخش انتهایی بالای نوک را گرم می کند ( ذاتی Si، i- Si ). لنز پایینی یک نانو کریستال الماس را با نور لیزر سبز تحریک می کند و نورتابی (PL) را جمع آوری می کند. کریستال میزبان یک مرکز NV است و به نوک AFM متصل است. یک سیم روی سطح نمونه به عنوان منبع مایکروویو (mw) عمل می کند. دمای کنسول T h از جریان و ولتاژ اعمال شده تعیین می شود.
(ب) طیف ODMR مرکز NV در سه دما. تقسیم خط از یک میدان مغناطیسی اعمال شده ~1 mT سرچشمه می گیرد.
(ج) تصویر رسانایی گرمایی یک حرف طلایی E روی یاقوت کبود . دایره های سفید ویژگی هایی را نشان می دهند که با توپوگرافی AFM همبستگی ندارند. (د) تصویر PL از انتهای کنسول AFM و نوک جایی که نانو کریستال الماس به عنوان نقطه روشن ظاهر می شود. (ه) تصویر PL بزرگنمایی شده از مرکز NV در d. [47]

شکل طیفی و شدت سیگنال‌های نوری از مراکز NV- نسبت به اغتشاش خارجی، مانند دما، کرنش، میدان الکتریکی و مغناطیسی حساس هستند. با این حال، استفاده از شکل طیفی برای سنجش آن آشفتگی‌ها غیرعملی است، زیرا الماس باید تا دمای برودتی خنک شود تا سیگنال‌های NV- تیز شود . یک رویکرد واقعی تر، استفاده از شدت لومینسانس (به جای شکل خط) است، که وقتی فرکانس مایکروویو به الماس اعمال می شود که با تقسیم سطوح حالت زمین مطابقت دارد، تشدید شدیدی را نشان می دهد. سیگنال‌های تشدید مغناطیسی تشخیص‌داده‌شده نوری، حتی در دمای اتاق نیز واضح هستند و می‌توانند در حسگرهای مینیاتوری استفاده شوند. چنین حسگرهایی می توانند میدان های مغناطیسی چند نانوتسلا را تشخیص دهند [48]یا میدان های الکتریکی حدود 10 V/cm [49] در فرکانس های کیلوهرتز پس از 100 ثانیه میانگین گیری. این حساسیت امکان تشخیص یک میدان مغناطیسی یا الکتریکی تولید شده توسط یک الکترون منفرد را که ده‌ها نانومتر از مرکز NV- فاصله دارد، می‌دهد .

با استفاده از مکانیسم مشابه، مراکز NV- در میکروسکوپ حرارتی روبشی برای اندازه‌گیری نقشه‌های فضایی با وضوح بالا از دما و هدایت حرارتی استفاده شدند (تصویر را ببینید). [47]

یکی دیگر از کاربردهای احتمالی مراکز NV- به عنوان آشکارساز برای اندازه گیری تانسور تنش مکانیکی کامل در بخش عمده کریستال است. برای این کاربرد، از شکاف ناشی از تنش خط صفر فونون و خواص پلاریزاسیون آن استفاده می‌شود. [50] یک گیرنده رادیویی مدوله‌شده با فرکانس قوی با استفاده از نورتابی وابسته به اسپین الکترون که تا دمای 350 درجه سانتی‌گراد کار می‌کرد، امکان استفاده در شرایط شدید را نشان می‌دهد. [51]

علاوه بر کاربردهای نوری کوانتومی، لومینسانس از مراکز NV- را می توان برای تصویربرداری از فرآیندهای بیولوژیکی، مانند جریان سیال در سلول های زنده به کار برد. [52] این نرم افزار متکی بر سازگاری خوب نانو ذرات الماس با سلول های زنده و خواص مطلوب نورتابی از مراکز NV- (شدت قوی، تحریک و تشخیص آسان، پایداری زمانی و غیره) است. در مقایسه با الماس‌های تک بلوری بزرگ، نانوالماس‌ها ارزان هستند (حدود 1 دلار در هر گرم) و از تامین‌کنندگان مختلف در دسترس هستند. NV -این مراکز در پودرهای الماس با اندازه ذرات زیر میکرومتر با استفاده از فرآیند استاندارد تابش و بازپخت که در بالا توضیح داده شد تولید می شوند. با توجه به اندازه نسبتا کوچک نانوالماس، مراکز NV را می توان با تابش نانوالماس ۱۰۰ نانومتر یا کمتر با پرتو H+ با انرژی متوسط ​​تولید کرد. این روش با کاهش دوز یونی و واکنش مورد نیاز، تولید انبوه نانوالماس فلورسنت را در آزمایشگاه معمولی ممکن می‌سازد. [53] نانوالماس فلورسنت تولید شده با چنین روشی روشن و پایدار است و آن را برای ردیابی طولانی مدت و سه بعدی تک ذره در سلول زنده عالی می کند. [54] آن نانوالماس ها در یک سلول معرفی می شوند و درخشندگی آنها با استفاده از یک میکروسکوپ فلورسانس استاندارد نظارت می شود . [55]

علاوه بر این ، مرکز NV- یک سیستم تقلیدی زیستی بالقوه برای شبیه‌سازی دینامیک اسپین جفت رادیکال قطب‌نمای پرندگان فرض شده است. [56] [57]

انتشار تحریک شده از مرکز NV- نشان داده شده است، اگرچه می توان آن را فقط از باند جانبی فونون (یعنی نور باند پهن) و نه از ZPL به دست آورد. برای این منظور، مرکز باید در طول موجی بیشتر از ~650 نانومتر برانگیخته شود، زیرا تحریک با انرژی بالاتر مرکز را یونیزه می کند. [58]

اولین میزر دمای اتاق با موج پیوسته نشان داده شده است. [59] [60] از مراکز NV- پمپ شده 532 نانومتری استفاده کرد که در یک حفره مایکروویو با فاکتور پرسل بالا و یک میدان مغناطیسی خارجی 4300 G قرار داشتند.

مرکز NV می تواند یک زمان انسجام چرخشی بسیار طولانی داشته باشد که به رژیم دوم نزدیک می شود. [61] این برای کاربردها در سنجش کوانتومی [62] و ارتباطات کوانتومی سودمند است . [63] معایب برای این کاربردها طول عمر تابشی طولانی (~12 ns [64] [65] ) مرکز NV و باند جانبی فونون قوی در طیف انتشار آن است. هر دو مشکل را می توان با قرار دادن مرکز NV در یک حفره نوری برطرف کرد . [66]

سخنان تاریخی [ ویرایش ]

مدل میکروسکوپی و اکثر ویژگی‌های نوری مجموعه‌های مراکز NV- در دهه 1970 بر اساس اندازه‌گیری‌های نوری همراه با تنش تک محوری [2] و بر رزونانس پارامغناطیس الکترون به‌طور محکم ایجاد شده‌اند. [5] [6] با این حال، یک خطای جزئی در نتایج EPR (فرض می‌شد که برای مشاهده سیگنال‌های NV - EPR نیاز به روشنایی است) منجر به تخصیص‌های چندگانگی نادرست در ساختار سطح انرژی شد. در سال 1991 نشان داده شد که EPR را می توان بدون روشنایی مشاهده کرد، [7] که طرح سطح انرژی نشان داده شده در بالا را ایجاد کرد. تقسیم مغناطیسی در حالت برانگیخته اخیراً اندازه گیری شده است. [18]

توصیف مراکز تک NV- امروزه به یک زمینه بسیار رقابتی تبدیل شده است، با ده ها مقاله منتشر شده در معتبرترین مجلات علمی. یکی از اولین نتایج در سال 1997 گزارش شد. [8] در آن مقاله، نشان داده شد که فلورسانس مراکز منفرد NV- را می توان با میکروسکوپ فلورسانس در دمای اتاق تشخیص داد و این نقص پایداری کامل در نور را نشان می دهد. همچنین یکی از ویژگی های برجسته مرکز NV نشان داده شد، یعنی تشدید مغناطیسی نوری تشخیص داده شده در دمای اتاق.

https://en.wikipedia.org/wiki/Nitrogen-vacancy_center