应用分享|NKT连续谱光源助力金刚石氮空位(NV)色心研究
材料通常在低温条件下会展现出一些奇特的性质,例如导现象等。导体除了电阻为零外,还会排斥内部的磁场,这种现象叫做迈斯纳效应。这些现象只会在低温条件下发生。如果我们能找到一些材料即使不在低温下也能展现导性质,将会带来革命性的变化。
含有晶体缺陷的金刚石,成为
科研人员的“关注对象”。
这个缺陷位于规则的碳原子晶格中。该缺陷由单个氮原子和缺失的碳原子或者空位相结合而组成,这种带负电荷的氮空位缺陷,称为NV色心。NV色心具有独特的光学吸收和发射性质,它使金刚石略微带有粉色或黄色。
除了其不寻常的光学特性外,负电荷状态下的NV色心在其基态下也具有电子自旋S=1。值得注意的是,处于这个态的电子自旋可以在室温下被控制和读出。原因在于,与大多数材料不同,金刚石中的晶格形成低噪声环境,因此不会丢失脆弱的特性,并且可以更长时间的存储和探测信息。
金刚石色心的应用很广,从通信、密码学到传感都能涉及到[1]。不同的色心具有不同的特性,包括吸收光谱、发射光谱、荧光寿命和自旋态都不尽相同,因此适合于不同的应用。为了进一步调控色心的荧光特性,人们将其嵌入到光子纳米结构中[2,3]。相对于块状金刚石中的色心,嵌入纳米结构中的色心由于外部光学环境的改变,通常会引起其激发态寿命的变化,因此需要搭建新的实验装置进行观察。近期,Jun.教授和Elke Neu-Ruffing博士带领的德国研究小组,报导了他们基于金刚石色心的新型传感器的部分实验研究结果。
连续谱激光器是理想的荧光激发源
实验中,我们搭建了一套多功能的共聚焦激光荧光显微镜。选择的荧光激发源是NKT Photonics公司的SuperK EXTREME连续谱激光器,并配备了脉冲选择器和VARIA滤波器系统。该配置是用作时间分辨,如荧光寿命成像(FLIM)的理想选择。
由于氮空位(NV)色心具有稳定的光发射和可寻址光子自旋态等特性,使其可用于物理量的传感[1]。
荧光寿命图
揭示了NV色心与WSe2之间的相互作用
近,我们为纳米单晶金刚石NV色心研发了一种新型传感方法。
利用NV色心的偶特性以及较宽的光发射带,可以验证NV色心与附近其他偶子的无辐射能量转移。实验中,利用了金刚石表面单层硒化钨(WSe2)中的激子,该过程称为福斯特共振能量转移(FRET)[4]。
当FRET为NV色心的激发态开辟出一条额外的衰减通道时,NV色心与WSe2的相互作用表现为其激发态寿命变化。当单层WSe2薄片被转移到金刚石表面,并利用荧光寿命成像显微镜(FLIM)对金刚石浅表层的NV色心进行测量,获取其荧光寿命图。[见图1(a)]。
FRET过程中,
NV色心仍然具备磁场感测能力
基于荧光寿命图,我们研究了NV色心与单层WSe2薄片之间的相互作用。正是在NKT Photonics激光系统的有效辅助下,特别是其稳定的脉冲强度、宽的光谱范围、简易可选的重复频率以及对无效脉冲的高抑 制性等优势,终实现了必要的测量,并完成了该项新应用的研究。
SuperK EXTREME的脉冲选择器可确保激光脉冲与探测器的同步,建立检测的时间门控,终清晰地区分出WSe2和金刚石NV色心的荧光 [比较图1(b)和(c)]。时间同步非常重要,特别是要进一步研究NV色心与WSe2薄片相互作用时的自旋特性。实验展示了FRET过程中,NV色心的磁场感测能力仍保持不变,利用该特性,金刚石中的NV色心有望成为多功能传感器。
研究小组介绍
由Jun. 教授和Elke Neu-Ruffing博士领导的研究小组,致力于研究基于金刚石色心的新型传感器。金刚石中的杂质,即所谓的色心,可以看作是人造原子。它们与原子一样小,可以用作高灵敏度的传感器,例如磁场探测。为了建立分辨率接近纳米量级的高空间分辨率图像,我们将色心嵌入到纳米级的扫描探针结构中。这些新型结构的研究成果可作为生命科学的通用成像工具。
参考文献
[1] M. Radtke, E. Bernardi, A. Slablab, R. Nelz, and E. Neu, “Nanoscale sensing based on nitrogen vacancy centers in single crystal diamond and nanodiamonds: achievements and challenges,” Nano Futures 3 (4), 042004 (2019).
[2] P. Fuchs, M. Challier, and E. Neu, „Optimized single-crystal diamond scanning probes for high sensitivity magnetometry,” New J. Phys. 20, 125001 (2018).
[3] R. Nelz, P. Fuchs, O. Opaluch, S. Sonusen, N. Savenko, V. Podgursky, and E. Neu, „Color center fluorescence and spin manipulation in single crystal, pyramidal diamond tips,” Appl. Phys. Lett. 109, 193105 (2016).
[4] R. Nelz, M. Radtke, A. Slablab, Z.-Q. Xu, M. Kianinia, C. Li, C. Bradac, I. Aharonovich, and E. Neu, “Near‐Field Energy Transfer between a Luminescent 2D Material and Color Centers in Diamond,” Adv. Quantum Techn. 1900088 (2019).
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