Attocube公司低温纳米位移台在NV-色心前沿进展

    近年来，金刚石NV色心（Nitrogen-vacancy defect centers）在科研界受到越来越多的科学家的重视。NV色心独特且稳定的光学特性使其拥有极其广泛的应用前景。尤其在大力兴起的量子信息领域，NV色心可以作为单光子源用于量子计算。而且NV色心作为具有量子敏感度的传感器，还可应用于纳米级分辨率的磁场、电场、温度和压力的探测。在生物学领域，NV色心更是很好的生物标识物，具有光学性能稳定，细胞毒性低的优点。

    德国attocube systems AG公司针对NV色心应用领域开发了多款低温纳米精度位移器及扫描器，为低温下的NV色心准确位移、旋转及扫描提供了很大的便利。以下我们总结了低温环境中(4K)NV色心研究的典型实验方案。

1. 基于NV 色心的量子网络节点和寄存器设计

    量子网络节点的实现是未来量子网络乃至量子互联网的基本要求。这样的量子寄存器在不干扰底层量子状态的情况下负责接收或发射信息。近期，美国哈瓦德大学（Cambridge，MA，USA）的Marko Loncar和Mikhail Lukin小组提出了基于金刚石纳米腔中硅空位色心的基本量子网络节点。课题组在稀释制冷机中采用德国attocube的极低温纳米位移器ANPxyz101和atocube的低温复色差物镜搭建的极低温mK共聚焦显微镜，对金刚石晶格中的光学活性点缺陷进行了表征。此外，作者还通过将系统耦合到入射光光子以及附近具有100 ms退相干时间的核自旋来演示作为量子寄存器节点的工作原理。使量子中继器迈出了坚实的一步。

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C.T. Nguyen et al, Phys. Rev. B 100, 165428 (2019)

图一、基于德国attocube公司的极低温纳米精度位移台和低温消色差物镜搭建的共聚焦显微镜

图二、系统原理图

2. NV 色心在加压凝聚态系统中的量子传感

    压力引起的影响包括平面内部性质变化与量子力学相转变。由于高压仪器内会产生巨大的压力梯度，例如金刚石腔，致使常用的光谱测量技术受到限制。为了解决这一难题，巴黎第十一大学，香港中文大学和加州伯克利大学的科研团队共同研发了一个新奇的纳米尺度传感器，研究者把量子自旋缺陷集成到金刚石压腔中来探测极端压力和温度下的微小信号，空间分辨率不受到衍射极限限制。

    为此，加州伯克利大学团队使用与光学平台高度集成的闭循环德国attocube公司的attoDRY800低温恒温器来进行试验，attoDRY800中集成了attocube公司的极低温纳米精度位移台，以此来实现快速并且准确控制金刚石压强的移动以及测量实验。

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S. Hsieh et al., Science, Vol. 366, Issue 6471, pp. 1349-1354 (2019) 
M. Lesik, et al., Science, Vol. 366, Issue 6471, pp. 1359-1362 (2019)
K. Yau Yip et al., Science, Vol. 366, Issue 6471, pp. 1355-1359 (2019)

图一、实验示意图及测量结果

3. NV 色心的自旋与光子的增强耦合研究

    可靠的量子信息系统需要不同的量子系统结合它们各自的高特性来实现。光子作为局域量子比特之间的媒介提供了尤为灵活和普遍的可能性。因此，对固体量子比特与光子的有效耦合是量子计算的基本要求。氮空位ZX具有较长的自旋相干时间，其自旋可以通过光学初始化、操纵和检测。然而，只有大约3%的光子发射被跃迁到了零声子线中。这很大的限制了单光子的区分效率和自旋与光子的相干相互作用信噪比。德国萨兰大学（Saarbrücken, Germany）的Christoph Becher小组设计和制造了一个可调谐二维光子晶体腔（图1A），并报道了一个数量级的增强发射率（图1B）。通过激光诱导，实现了M0腔模式与NVZX零声子线共振的调谐。原位光学测量可控制实时的调谐过程。其制作优化和调谐结果是光学自旋读出结果是其信噪比的三倍。Christoph教授提出的制造工艺和实验装置，可以获得更高的信噪比。为未来的量子信息提供了更多的可能和客观的前景，在此测量实验中使用的德国attocube公司制造的低温纳米位移器ANPxyz101，能够在极低温环境下，实现5 mm*5 mm*5 mm的行程，而且能够实现200 nm分辨率，1 μm精度的闭环反馈。

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T. Jung, et al; "Spin Measurements of NV Centers Coupled to a Photonic Crystal Cavity", arXiv:1907.07602 (2019)

图一、A 实验制备的可调谐的二维光子晶体腔体；B 在637.4 nm处M0腔模式和NV-ZPL的相互作用

4. 总体NV色心信号收集实验

    将磁性样品覆盖在表面具有较多NV色心的块体金刚石衬底上。这个NV色心表面层通常由离子注入或在金刚石表面合成富氮表面层来实现。通常采用532 nm的激光激发NV色心到激发态，并在630-800 nm波长范围收集荧光信号。同时利用微波信号激发和探测NV色心的自旋态（ESR）。荧光信号由二维的CCD探测阵列收集成像并与样品相对应。与单个NV色心的研究不同，该实验方案采用大工作距离获得大视野范围的成像，从而实现大面积信号的采集。该实验方案中对于块体金刚石衬底及磁性样品的准确位移采用的是attocube公司的ANP341系列纳米精度位移台，该位移台可以在4K低温强磁场环境中实现20 mm超大行程的位移，位移步长小至20 nm@4K，垂直方向的载重达2 Kg，低温下采用电阻式传感器，可以实现200 nm的分辨率，1 μm的重复精度。

图一、 CCD与显微镜成像系统

图二、 低温强磁环境兼容纳米精度位移台 ANP341

5. 单个NV色心研究：样品表面的纳米金刚石

    纳米金刚石的单个NV色心探测可以通过共聚焦显微技术来实现。该实验装置包括attocube的三维低温纳米位移台，Z方向可以准确调整样品到焦平面，XY可以对样品表面进行扫描。采用532 nm激光激发，对630 nm-800 nm范围的荧光信号进行采集。采用可调的微波信号对NV色心的自旋态进行激发，通过荧光信号的峰值位移来确定其自旋态。整个实验在4K低温恒温器中进行。为了研究感兴趣的区域，通常将金刚石粉末（20-30 nm）均匀的撒在样品表面，然后使用attocube三维纳米位移台来扫描样品并且对特定NV色心进行测量，并且可以通过单个NV色心观测较大温度范围内的样品性质。

图一、扫描共聚焦显微镜示意图

    Tokura课题组成功的运用此技术研究了FeGe样品中的磁涡旋结构。

更多细节请参考：

Using NV-Center Optically Detected Magnetic Resonance (ODMR) as a Probe for Local Magnetic Dynamics in Transition Metals

6. 扫描探针量子探测器(例如：扫描磁力显微镜)

    将一个NV色心固定在扫描探针显微镜的探针末端。可以通过在针尖上“粘贴”纳米金刚石，或采用纳米压印与O2刻蚀技术将块体金刚石加工成再用N-14注入来实现NV色心，现在甚至已经有商业化的针尖。采用共聚焦显微镜将激发光聚焦在扫描探针的NV色心上。实验中样品的准确扫描是通过attocube公司的低温纳米精度位移台进行。这样便可实现对样品表面的纳米级精度大范围成像测量。该技术理论上可以对多种与NV色心荧光相关的特性进行高精度显微学测量。

图一、扫描探针显微镜示意图 

    Jayich课题组 (UCSB)运用这一技术在BaFe2(As0.7P0.3)2 超导材料的转变温度附近（30K）成功观测到了旋涡。这一技术在研究材料低温下的新奇性质方面前景广阔。

更多细节请参考：

Scanned probe imaging of nanoscale magnetism at cryogenic temperatures with a single-spin quantum sensor.

7. 基于NV色心显微镜对畴壁跳变的纳米级成像与控制

    磁力线中的畴壁可能对未来的自旋电子器件是有用的，因此其纳米尺度的表征是迈向实用化的重要一步。正如法国科学家Vincent Jaques在《科学》杂志上所展示的那样，基于AFM/CFM的NVZX显微镜可以对1 nm厚的铁磁纳米线中的畴壁进行成像，以及单个畴壁钉扎位置之间的跳跃。同时，研究还表明，由于高的局部激光功率，畴壁可以通过局部加热诱导跳跃而沿导线移动。对实验结果起关键作用的是德国attocube公司的低温纳米位移台，其能够实现低温下纳米精度的样品位移、倾角、旋转和扫描等功能。

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Tetienne et al ., Science 344, 1366(2014)

图一、实验装置示意图