發(fā)布時(shí)間：2017-12-30 19:13

  本文關(guān)鍵詞：金剛石中NV色心的溫度特性研究　出處：《中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)》2017年博士論文　論文類(lèi)型：學(xué)位論文

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【摘要】：科技的進(jìn)步使得人們的研究對(duì)象向微納尺度發(fā)展,從而需要用量子力學(xué)來(lái)描述相關(guān)物理過(guò)程。經(jīng)典的測(cè)量技術(shù)很難滿(mǎn)足微納尺度下的測(cè)量要求,因而推動(dòng)了人們對(duì)量子測(cè)量的研究。量子測(cè)量主要利用量子力學(xué)中的量子相干或者量子統(tǒng)計(jì)以及量子動(dòng)力學(xué)演化過(guò)程實(shí)現(xiàn)相關(guān)物理量的測(cè)量。選擇何種量子系統(tǒng)作為載體成為了人們研究的重點(diǎn)。金剛石中的氮-空位(Nitrogen-Vacancy,NV)色心成為了固態(tài)體系中最好的候選者之一。金剛石中的NV色心具有化學(xué)惰性,在寬的溫度、磁場(chǎng)范圍以及高激光激發(fā)功率下都能保持良好的性能,而且其熒光具有良好的穩(wěn)定性,在室溫下具有很長(zhǎng)的自旋相干時(shí)間。NV色心的能級(jí)能夠通過(guò)微波或激光進(jìn)行調(diào)控。NV色心尺寸能夠做到納米量級(jí)而且具有生物無(wú)毒性,這使得其在生物測(cè)量方面具有良好的應(yīng)用前景。因而NV色心成為了量子測(cè)量研究中的優(yōu)秀候選者。并且在量子通訊、量子傳感、量子模擬、量子計(jì)算等多個(gè)方面具有很好地應(yīng)用前景。我們進(jìn)行了一系列的實(shí)驗(yàn)研究來(lái)了解基于NV色心實(shí)現(xiàn)磁場(chǎng)、溫度場(chǎng)測(cè)量的機(jī)制和效果:1.我們對(duì)通用的測(cè)量二階關(guān)聯(lián)函數(shù)的方法進(jìn)行了修正測(cè)量。首先我們利用PMMA掩膜和離子束注入制備了 NV色心樣品,使得樣品中含有便于尋找的系綜NV色心標(biāo)記以及在其附近的單個(gè)NV色心。利用搭建的共聚焦掃描光路來(lái)實(shí)現(xiàn)單個(gè)NV色心的尋址和探測(cè)。為了測(cè)量NV色心的單光子性能,我們測(cè)量了其二階關(guān)聯(lián)函數(shù)。通用的測(cè)量二階關(guān)聯(lián)函數(shù)的方法雖然簡(jiǎn)單方便,但是由于原理性的原因?qū)е缕錅y(cè)量的結(jié)果與理論上的二階關(guān)聯(lián)函數(shù)存在一定誤差,這會(huì)影響我們對(duì)NV色心動(dòng)力學(xué)演化過(guò)程的測(cè)量。為此我們提出了修正公式對(duì)通用測(cè)量方法的結(jié)果進(jìn)行一定的修正,從而獲得更精確的二階關(guān)聯(lián)函數(shù)。2.研究了磁場(chǎng)對(duì)于單個(gè)NV色心的影響,從而可以利用單個(gè)NV色心實(shí)現(xiàn)磁場(chǎng)測(cè)量。通常利用光探測(cè)磁共振技術(shù)或者冉塞條紋技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)靜磁場(chǎng)的測(cè)量,而對(duì)于交變磁場(chǎng)則是利用自旋回聲技術(shù)來(lái)進(jìn)行測(cè)量。我們主要研究的是光探測(cè)磁共振技術(shù)測(cè)量靜磁場(chǎng),通過(guò)對(duì)測(cè)量方法的優(yōu)化可以獲得較高的靈敏度。3.我們提出修改后的Varshni公式來(lái)描述NV色心的能級(jí)溫度依賴(lài)特性,因而可以利用NV色心實(shí)現(xiàn)溫度場(chǎng)的測(cè)量。由于目前的研究有許多是基于NV色心具有的高空間分辨率以及單光子源特性,所以我們測(cè)量了單個(gè)NV色心能級(jí)劈裂的溫度依賴(lài)特性。由于金剛石材料相比半導(dǎo)體材料有許多特殊性質(zhì),所以導(dǎo)致通用的Varshni經(jīng)驗(yàn)公式不能很好的擬合NV色心的能級(jí)隨溫度的變化特性。我們提出的修改后的Varshni經(jīng)驗(yàn)公式能夠在0-700K的溫度范圍內(nèi)很好的擬合實(shí)驗(yàn)結(jié)果。并且對(duì)NV色心的零聲子線(xiàn)以及金剛石中的其它缺陷結(jié)構(gòu)中的能級(jí)隨溫度的變化趨勢(shì)都能通過(guò)修改后的Varshni經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行很好的擬合。這為以后研究NV色心的溫度測(cè)量以及其它金剛石缺陷結(jié)構(gòu)提供了很好的參考價(jià)值。4.我們利用NV色心測(cè)量了表面等離子體激元的溫度特性。我們測(cè)量了 NV色心與金膜在不同的距離下的熒光壽命,發(fā)現(xiàn)隨著距離的減小,NV色心的熒光壽命呈現(xiàn)指數(shù)型的減小。NV色心相互之間的耦合距離只有納米量級(jí),遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于表面等離子體激元的橫向傳播距離。所以通過(guò)將NV色心與表面等離子體激元的耦合,可能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離的NV色心之間的耦合。NV色心的熒光壽命在低溫下幾乎不隨溫度變化,當(dāng)NV色心與表面等離子體激元耦合時(shí),由于金的介電常數(shù)明顯依賴(lài)于溫度,所以導(dǎo)致NV色心感受到的局域態(tài)密度也會(huì)隨溫度變化。我們測(cè)量了低溫下的與表面等離子體激元耦合的NV色心的熒光壽命,發(fā)現(xiàn)了明顯的溫度依賴(lài)特性。通過(guò)上面的實(shí)驗(yàn)研究,我們對(duì)NV色心的一些基本性質(zhì)都有了較深的了解。并且對(duì)于利用NV色心實(shí)現(xiàn)磁場(chǎng)和溫度場(chǎng)的測(cè)量也有了一定的認(rèn)知。
[Abstract]:The progress of science and technology makes the research object to the development of micro nano scale, which requires a quantum mechanical description of physical process. Classic survey technique is very difficult to meet the requirements of micro nano scale measurement, thus promoting the study of quantum measurement. The main use of quantum measurement in quantum mechanics or quantum coherent quantum statistics and the quantum dynamic evolution process to measure the relevant physical quantities. The choice of a quantum system as the carrier has become the focus of research. The diamond nitrogen vacancy centers (Nitrogen-Vacancy, NV) has become one of the best candidates for solid state system. The NV color centers in diamond is chemically inert, in wide temperature, can keep the good performance of the magnetic field and high laser power excitation, and the fluorescence has good stability at room temperature with spin long coherence time.NV The center level through microwave or laser control center can achieve nanometer size.NV with biological and non-toxic, which has good application prospect in biological measurement. So the NV center has become a good candidate for the study of quantum measurement. And in quantum communication, quantum sensor, quantum simulation, multiple quantum the calculation has good application prospect. We carried out a series of experiments to understand the NV center field based on the mechanism and effect of temperature measurement methods: 1. our measure of general two order correlation function of modified measurement. First we use PMMA mask and ion beam NV color samples for the injection, the sample contains easy to find the ensemble of NV center and NV center in a single marker near. To achieve a single NV using confocal scanning optical structures Addressing and detection center. For single photon NV performance measurement center, we measured the second order correlation function method. Measuring two order correlation function universal although is simple and convenient, but due to the principle of the lead to two order correlation function of the measurement results and the theory on the existence of some errors, it will affect our measurement evolution of NV center dynamics. We proposed the correction formula of general measurement method is a correction to obtain two order correlation function of the.2. more accurate magnetic field for a single NV color effect, which can achieve the magnetic field measurement using a single NV color. Usually used to realize the measurement of static magnetic field the optical detection of magnetic resonance technology or technology for Jean plug stripes, alternating magnetic field is measured using the spin echo technique. We study the magnetic optical detection Measurement of static magnetic resonance technology, through the optimization of the measurement method can obtain higher sensitivity of.3. we propose a modified Varshni formula to describe the temperature dependence of NV center level, which can realize the measurement of temperature field using NV center. The current study has many high spatial resolution of single photon and NV centers. Based on the characteristics of the source, so we measured the single NV center level splitting temperature dependence. Because the diamond material has many special properties compared to the semiconductor material, so that the general level of Varshni empirical formula is not well fitted NV centers varies with temperature. The modified Varshni formula we proposed can result in the temperature range of 0-700K good fitting experiment. And other level defect structure of the zero phonon line of NV color center and the diamond in As the temperature changes can be modified by Varshni empirical formula fitted very well. This provides a very good reference value.4. we use NV color temperature characteristic of the surface plasmon measurement for temperature measurement of NV center and other defects of diamond structure. We measured the fluorescence lifetime of NV centers. With the gold film in different distances, was found to decrease with distance, the fluorescence lifetime of NV color center exponentially decreasing.NV center coupled to the distance between only nanometers, far less than the surface plasmon induced transverse propagation distance. So the element of NV center and surface plasmon coupled fluorescence lifetime, may the distance between the NV center coupled.NV center at low temperature hardly change with temperature, when the NV center and surface plasmon coupling, the gold The dielectric constant was dependent on the temperature, so that the local density of states of NV center feel will change with the temperature. We measured the fluorescence lifetime under low temperature and surface plasmon coupling of the NV center, found a significant temperature dependence. Through experimental studies above, some basic properties of NV centers. We have a deeper understanding. And to realize the measurement of magnetic field and temperature field by using the NV color centers also have a certain awareness.

【學(xué)位授予單位】：中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類(lèi)號(hào)】：O413

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本文編號(hào)：1356096