發(fā)布時(shí)間：2019-02-21 12:03

【摘要】：現(xiàn)代社會(huì)對計(jì)算能力和數(shù)據(jù)處理速率等方面的迅速增長的需求,激勵(lì)著人類不斷探索新的方法去處理和傳遞信息。尤其是物理學(xué)家探索“非經(jīng)典的”的方法,用量子力學(xué)的方法處理信息過程,即量子信息科學(xué)。量子信息科學(xué),主要是由量子物理與信息技術(shù)等多個(gè)學(xué)科交叉融合在一起所形成的一門新興的科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域,主要包括量子通訊,量子計(jì)算以及量子精密測量。金剛石NV色心是一個(gè)非常有代表性的固態(tài)量子信息體系,自從1997年德國科學(xué)家首先測得金剛石單NV色心的光探測磁共振信號以來,吸引了全世界科學(xué)家的廣泛關(guān)注,已經(jīng)在量子計(jì)算,及精密測量領(lǐng)域產(chǎn)生很多應(yīng)用。金剛石NV色心是由金剛石中替位氮原子(N)和鄰位的碳空位(V)組成的復(fù)合結(jié)構(gòu),具有優(yōu)良的特性,例如光穩(wěn)定性,生物兼容性,以及室溫下長的相干和弛豫時(shí)間等,廣泛應(yīng)用于如磁場,電場,應(yīng)力,壓強(qiáng),溫度,以及自旋等物理量的精密測量。本文首先介紹了金剛石NV色心的研究背景及應(yīng)用,結(jié)合我們自己搭建的實(shí)驗(yàn)裝置研究了NV色心的基本自旋性質(zhì)。同時(shí)也介紹了我們利用離子注入技術(shù)和電子束曝光技術(shù)制備的高質(zhì)量NV色心陣列。之后我們利用氧化刻蝕的方法得到了一種可以精確控制NV色心深度的方法,并且研究了NV色心相干時(shí)間與深度的關(guān)系。最后我們利用注入NV色心和動(dòng)力學(xué)解耦方法研究了高靈敏度的溫度探測。本文主要包括以下幾個(gè)方面：第一章：我們首先介紹了量子信息的基本概念及應(yīng)用。之后我們介紹了金剛石NV色心在精密測量方面的應(yīng)用,重點(diǎn)介紹了其在磁場,溫度,自旋探測等方面的應(yīng)用。之后介紹了本文的研究選題背景和研究內(nèi)容。第二章：我們首先介紹了NV色心的晶格,能級結(jié)構(gòu)和光譜性質(zhì)。之后介紹了我們實(shí)驗(yàn)裝置：用于NV色心掃描和定位的激光共聚焦系統(tǒng)和用于調(diào)控NV色心自旋態(tài)的微波和磁場系統(tǒng)。利用我們的實(shí)驗(yàn)裝置研究了注入的高純金剛石NV色心的性質(zhì)：單色心的單光子性質(zhì),光探測磁共振性質(zhì),和一系列基本的微波脈沖操縱NV色心的方法：拉比振蕩,自由衰減演化,自旋回波,自旋晶格弛豫等。另外還介紹了延長NV色心相干時(shí)間和高靈敏度探測等方面常用的動(dòng)力學(xué)解耦以及電子電子雙共振等方法,為以后利用NV色心的各種實(shí)驗(yàn)提供了基礎(chǔ)。第三章：我們介紹了納米金剛石和塊材金剛石中NV色心的制備方法。在塊材金剛石中主要介紹了高純金剛石中NV色心制備方法：提高NV比例,提高NV色心相干時(shí)間,利用電子束曝光技術(shù)制備NV色心陣列的方法。之后又介紹了我們利用電子束曝光技術(shù)和離子注入技術(shù)制備出了長相干時(shí)間的NV色心陣列,淺層NV色心陣列,以及有耦合雙NV色心對。為利用注入金剛石實(shí)現(xiàn)基于NV色心的量子信息和高靈敏度度量學(xué)等方面提供了基礎(chǔ)。第四章：我們通過在580℃空氣中精確的氧化刻蝕金剛石表面,研究了NV色心相干時(shí)間與氧化刻蝕控制的NV色心深度的關(guān)系。通過連續(xù)的納米尺度刻蝕,NV色心可以逐漸靠近金剛石表面,使得我們可以準(zhǔn)總NV色心剩余的數(shù)目和其相干時(shí)間與其深度的變化。結(jié)果顯示對于自然豐度13C金剛石NV色心的相干時(shí)間在深度下降到大約22±4 nm時(shí),其下降開始變快,揭示了一個(gè)快速漲落的表面自旋影響的臨界深度,為研究表面自旋性質(zhì)起到積極作用。另外,通過利用這個(gè)緩慢刻蝕方法和低能N離子注入,可以制備出比初始注入深度更淺的NV色心,從而為更高靈敏度納米尺度體外自旋探測起到了積極作用。第五章：我們利用金剛石中注入NV色心和動(dòng)力學(xué)解耦方法研究了其在靜磁場中的溫度探測。我們證明了對于高階動(dòng)力學(xué)解耦脈沖方法,其相干時(shí)間可以達(dá)到108μ,大約是Thermal Ramsey方法相干時(shí)間(7.7μs)的14倍,對應(yīng)溫度靈敏度為10.1mK/Hz1-2。另外,我們結(jié)合注入NV色心陣列和動(dòng)力學(xué)解耦測量了金剛石表面三種不同情形下的溫度分布,其靈敏度達(dá)到24 mK/Hz1/2。這為利用高純金剛石中注入的NV色心實(shí)現(xiàn)對于生物,化學(xué),材料科學(xué)和微電子系統(tǒng)的高靈敏度和納米尺度空間分辨率的溫度探測起到了積極作用。第六章：對本文主要工作做了總結(jié)并對今后的研究工作做了展望。
[Abstract]:......
【學(xué)位授予單位】：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：O413

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本文編號：2427478