NV-центр
NV-центр (англ. nitrogen-vacancy center) или азото-замещённая вакансия в алмазе — это один из многочисленных точечных дефектов алмаза: нарушение строения кристаллической решётки алмаза, возникающее при удалении атома углерода из узла решётки и связывании образовавшейся вакансии с атомом азота.
Уникальность дефекта заключается в том, что его свойства практически аналогичны свойствам атома, будь тот «заморожен» в кристаллической решётке алмаза: электронные спины индивидуального центра легко манипулируются: светом; магнитным, электрическим и микроволновыми полями; — что позволяет записывать квантовую информацию (кубиты) на спине ядра центра. Такая манипуляция возможна даже при комнатной температуре; центр имеет продолжительное (достигающее нескольких миллисекунд) время хранения наведённой спиновой поляризации. В настоящее время — NV-центр может рассматриваться как базовый логический элемент будущего квантового процессора, необходимого для создания квантового компьютера, линий связи с квантовым протоколом безопасности и других применений спинтроники[1][2].
Структура центра
NV-центр является дефектом кристаллической решётки алмаза. Этот дефект включает в себя вакансию решётки со связанным с ней атомом азота. Размер решётки составляет 3,56 ангстрема; ось симметрии проходит по линии, соединяющей вакансию и атом азота (изображена на иллюстрации как линия [111]).
Методы исследования
Из спектроскопических исследований известно, что этот дефект может иметь заряд: отрицательный (N-V−) или нейтральный (N-V0). В исследованиях использовались различные методы: оптическое поглощение[3][4], фотолюминесценция (ФЛ)[5], электронный парамагнитный резонанс (ЭПР)[6][7] и оптически-детектируемый магнитный резонанс (ОДМР)[8], который можно считать гибридом ФЛ и ЭПР; ЭПР даёт наиболее подробную картину взаимодействия. Атом азота имеет пять валентных электронов: три из них — ковалентно связаны с близлежащими атомами углерода; два — с вакансией. Дополнительный электрон — центр захватывает со «стороны» (видимо, от другого атома азота); иногда центр теряет этот электрон, превращаясь в нейтральный.[9]
У негативно заряженного центра (N-V−) — электрон находится рядом с вакансией, образуя спиновую пару S=1 с одним из её валентных электронов. Как и в N-V0 — электроны вакансии обмениваются ролями, сохраняя полную тригональную симметрию. Состояние N-V− обычно и называют NV-центром. Электрон находится большую часть времени (90%) вблизи вакансии NV-центра.[10]
NV-центры, как правило, случайно разбросаны в теле алмаза — но ионная имплантация позволяет создавать центры в определённо заданном месте.[11]
Энергетическая структура уровней NV-центра
Энергетическая структура N-V− центров изучалась теоретически и экспериментально. В экспериментах в основном применялся комбинированный способ возбуждения: метод электронного параметрического резонанса и лазерное излучение.
Гамильтониан
Спиновый Гамильтониан центра, у которого в вакансии находится изотоп азота , — имеет вид:[13]
…комментарий к которому приведён в таблице 1.
D и A | тензоры тонкого и сверхтонкого расщепления |
Q | тензор квадрупольного ядерного расщепления |
электронный и ядерный факторы | |
магнетон Бора и ядерный магнетон |
D, MHz | A, MHz | Q, MHz | |
---|---|---|---|
2870 | −2.166 | 4.945 | |
1420 | 40 |
Схема уровней — представлена на рисунке. Чтобы определить собственные состояния центра — его рассматривают как молекулу; в расчётах применяется метод линейной комбинации атомных орбиталей и используется теория групп, учитывающая симметрии: как алмазной кристаллической структуры, так и самого NV. Энергетические уровни помечены в соответствии с симметрией группы , то есть: , и .[14]
Числа «3» в ³A и «1» в 1A — представляют число спиновых состояний, разрешённых для ms: спиновую мультиплетность, лежащую от −S до S при полном числе 2S+1 возможных состояний (если S=1 — ms может принимать значения: −1, 0, 1). Уровень 1A — предсказан теорией, и играет важную роль в подавлении фотолюминесценции, — но прямого экспериментального наблюдения этого состояния пока не было…
В отсутствие внешнего
Чем дальше отделены
Для того чтобы это понять — необходимо иметь в виду, что переходы между электронными состояниями происходят с сохранением полного спина. По этой причине, переходы ³E↔1E и 1A↔³A — безызлучательные и тушат люминесценцию, — тогда как переход ms = −1 ↔ 0 запрещён в отсутствие поля и становится разрешённым, когда магнитное поле перемешивает ms=−1 и ms=0 уровни основного состояния. Результатом является то, что интенсивность люминесценции можно сильно модулировать магнитным полем.
Возбуждённое состояние ³E — дополнительно расщеплено, благодаря орбитальному вырождению и спин-орбитальному взаимодействию. Это расщепление может быть промодулировано внешним статическим полем: как электрическим, так и магнитным.[16][17]
Расстояние между уровнями и приходится на микроволновый диапазон (~2.88 ГГц). Облучая центр микроволновым полем, можно изменять населённость подуровней основного состояния — и тем самым модулировать интенсивность люминесценции. Эта техника называется методом электронного парамагнитного резонанса.
Сила осциллятора перехода
Переход из основного триплетного состояния A³ в возбуждённое триплетное состояние Е³ имеет большую силу осциллятора: 0,12 (для сравнения: D1 линия Rb87 имеет 0.6956) — что позволяет легко детектировать этот переход оптическими методами. Хотя тонкая структура возбуждённого состояния сильно зависит от окружения центра, но известно, что переход из возбуждённого ms=0 (³E) в основное ms=0 (³A) состояние сохраняет спин состояния — тогда как переход из состояний ms=±1 (³E) в ms=0 (³A) происходит безызлучательным способом. Этот переход осуществляется в два этапа: через синглетное состояние 1A.
Существует также дополнительное расщепление состояний ms=±1, являющееся результатом сверхтонкого взаимодействия между ядерным и электронным спинами. В итоге, спектр поглощения и люминесценции N-V− центра состоит приблизительно из дюжины узких линий разделённых на несколько МГц—ГГц. Интенсивность и положение этих линий могут быть промодулированы следующими способами:
- Амплитуда и направление магнитного поля, которое расщепляет состояния ms = ±1 в основном и в возбуждённых термах;
- Амплитуда и направление напряжений: механического (простое сжатие алмаза) или электрического;[16][17]
- Непрерывное микроволновое излучение;[17]
- Лазерное излучение, возбуждающее селективно тот или иной уровень основного состояния:[17][18] импульсное микроволновое излучение возбуждает в центрах динамические эффекты (Раби перевёртывание, Раби осцилляции).[19][20][21][22][23]
Микроволновый импульс когерентно возбуждает электронные спины центра; за состоянием электронных спинов следят по флуоресценции оптических переходов. Динамические эффекты весьма важны при создании квантовых компьютеров.
Тонкий оптический спектр
Тонкий оптический спектр NV-центра определяется несколькими факторами:
- Механическим напряжением внутри кристалла;
- Присутствием атомов в окружении NV-центра:
Изотопы
Ширина спектра флуоресценции нулевой фононной линии
Ширина спектра флуоресценции нулевой фононной линии[англ.] при температурах T < 10 K постоянна и равна 13 МГц. С повышением температуры — ширина растёт по закону: ,
где , и . Такую зависимость объясняют перемешиванием спиновых состояний в возбуждённом состоянии .[24]
Изготовление
Даже высокочистый природный и синтетический (IIa-типа) алмаз содержит небольшую концентрацию NV-центров. (Высокочистый синтетический алмаз изготавливают с помощью
Алмаз известен тем, что его решётка имеет внутренние напряжения, которые расщепляют, смещают и уширяют уровни NV-центра. Для регистрации узких линий (~10 MHz) на переходе нужно принимать особые меры к качеству кристалла.[27] Для этого используют высоко-чистый природный алмаз или синтетически изготовленный (IIa-типа).
Для исследования центров обычно применяют
Примечания
- .
- .
- .
- .
- ↑ Iakoubovskii K., Adriaenssens G.J., Nesladek M.,. Photochromism of vacancy-related centres in diamond (англ.) // .
- .
- .
- ↑ Gruber, A. Scanning Confocal Optical Microscopy and Magnetic Resonance on Single Defect Centers (англ.) // Science : journal. — 1997. — Vol. 276. — P. 2012. — .
- .
- .
- ↑ David D. Awschalom, Ryan Epstein and Ronald Hanson. Diamond Age of Spintronics (англ.) // Scientific American. — Springer Nature, 2007. — October. — P. 90.
- ↑ .
- .
- ↑ Список кристаллографических групп
- ↑ Loubser, J H N; Wyk, J A van (1978), Reports on Progress in Physics 41: 1201. doi:10.1088/0034-4885/41/8/002.
- ↑ .
- ↑ .
- .
- .
- .
- .
- .
- .
- ↑ Kai-Mei C. Fu, Charles Santori, Paul E Barclay, Lachlan J. Rogers, Neil B. Manson, and Raymond G. Beausoleil, Phys.Rev.Lett. 103, 256404 (2009)
- ↑ Lang A. R., Moore M., Makepeace A. P. W., Wierzchowski. On the Dilatation of Synthetic Type Ib Diamond by Substitutional Nitrogen Impurity (англ.) // Philosophical Transactions of the Royal Society: Physical and Engineering Sciences (1990-1995 ) : journal. — 1991. — Vol. 337. — P. 497. — .
- .
- .