金刚石NV色心的制备、相干性与温度探测研究

发布时间：2019-02-21 12:03

【摘要】：现代社会对计算能力和数据处理速率等方面的迅速增长的需求,激励着人类不断探索新的方法去处理和传递信息。尤其是物理学家探索“非经典的”的方法,用量子力学的方法处理信息过程,即量子信息科学。量子信息科学,主要是由量子物理与信息技术等多个学科交叉融合在一起所形成的一门新兴的科学技术领域,主要包括量子通讯,量子计算以及量子精密测量。金刚石NV色心是一个非常有代表性的固态量子信息体系,自从1997年德国科学家首先测得金刚石单NV色心的光探测磁共振信号以来,吸引了全世界科学家的广泛关注,已经在量子计算,及精密测量领域产生很多应用。金刚石NV色心是由金刚石中替位氮原子(N)和邻位的碳空位(V)组成的复合结构,具有优良的特性,例如光稳定性,生物兼容性,以及室温下长的相干和弛豫时间等,广泛应用于如磁场,电场,应力,压强,温度,以及自旋等物理量的精密测量。本文首先介绍了金刚石NV色心的研究背景及应用,结合我们自己搭建的实验装置研究了NV色心的基本自旋性质。同时也介绍了我们利用离子注入技术和电子束曝光技术制备的高质量NV色心阵列。之后我们利用氧化刻蚀的方法得到了一种可以精确控制NV色心深度的方法,并且研究了NV色心相干时间与深度的关系。最后我们利用注入NV色心和动力学解耦方法研究了高灵敏度的温度探测。本文主要包括以下几个方面：第一章：我们首先介绍了量子信息的基本概念及应用。之后我们介绍了金刚石NV色心在精密测量方面的应用,重点介绍了其在磁场,温度,自旋探测等方面的应用。之后介绍了本文的研究选题背景和研究内容。第二章：我们首先介绍了NV色心的晶格,能级结构和光谱性质。之后介绍了我们实验装置：用于NV色心扫描和定位的激光共聚焦系统和用于调控NV色心自旋态的微波和磁场系统。利用我们的实验装置研究了注入的高纯金刚石NV色心的性质：单色心的单光子性质,光探测磁共振性质,和一系列基本的微波脉冲操纵NV色心的方法：拉比振荡,自由衰减演化,自旋回波,自旋晶格弛豫等。另外还介绍了延长NV色心相干时间和高灵敏度探测等方面常用的动力学解耦以及电子电子双共振等方法,为以后利用NV色心的各种实验提供了基础。第三章：我们介绍了纳米金刚石和块材金刚石中NV色心的制备方法。在块材金刚石中主要介绍了高纯金刚石中NV色心制备方法：提高NV比例,提高NV色心相干时间,利用电子束曝光技术制备NV色心阵列的方法。之后又介绍了我们利用电子束曝光技术和离子注入技术制备出了长相干时间的NV色心阵列,浅层NV色心阵列,以及有耦合双NV色心对。为利用注入金刚石实现基于NV色心的量子信息和高灵敏度度量学等方面提供了基础。第四章：我们通过在580℃空气中精确的氧化刻蚀金刚石表面,研究了NV色心相干时间与氧化刻蚀控制的NV色心深度的关系。通过连续的纳米尺度刻蚀,NV色心可以逐渐靠近金刚石表面,使得我们可以准总NV色心剩余的数目和其相干时间与其深度的变化。结果显示对于自然丰度13C金刚石NV色心的相干时间在深度下降到大约22±4 nm时,其下降开始变快,揭示了一个快速涨落的表面自旋影响的临界深度,为研究表面自旋性质起到积极作用。另外,通过利用这个缓慢刻蚀方法和低能N离子注入,可以制备出比初始注入深度更浅的NV色心,从而为更高灵敏度纳米尺度体外自旋探测起到了积极作用。第五章：我们利用金刚石中注入NV色心和动力学解耦方法研究了其在静磁场中的温度探测。我们证明了对于高阶动力学解耦脉冲方法,其相干时间可以达到108μ,大约是Thermal Ramsey方法相干时间(7.7μs)的14倍,对应温度灵敏度为10.1mK/Hz1-2。另外,我们结合注入NV色心阵列和动力学解耦测量了金刚石表面三种不同情形下的温度分布,其灵敏度达到24 mK/Hz1/2。这为利用高纯金刚石中注入的NV色心实现对于生物,化学,材料科学和微电子系统的高灵敏度和纳米尺度空间分辨率的温度探测起到了积极作用。第六章：对本文主要工作做了总结并对今后的研究工作做了展望。
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【学位授予单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：O413

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本文编号：2427478