quNV量子金剛石磁力計

這種量子金剛石磁力計及其實驗將向?qū)W生介紹量子傳感的概念。 quNV的設(shè)計基于近期的科學(xué)研究成果，并在一個簡單且用戶友好的系統(tǒng)中展示了量子傳感，用于高校學(xué)生實驗室課程。

quNV的核心是具有氮空位 (NV) 中心集合的 HPHT 金剛石。 NV 中心可以被可見光譜中的光激發(fā)。 激發(fā)態(tài)直接或通過具有不同熒光強(qiáng)度的中間擱置態(tài)衰減回基態(tài)。 衰變路徑取決于 NV 中心的電子自旋。 因此，可以光學(xué)地讀出電子自旋。

微波輻射可以進(jìn)一步控制電子自旋。 通過施加磁場和電場，可以改變自旋的能級。 因此，不同的實驗和測量應(yīng)用是可能的。

一、quNV量子金剛石磁力計主要特征

二、quNV 量子金剛石磁力計核心組件

基礎(chǔ) quNV 的核心是具有氮空位 (NV) 中心集合的 HPHT 金剛石。 NV 中心可以被可見光譜中的光激發(fā)。 激發(fā)態(tài)直接或通過具有不同熒光強(qiáng)度的中間擱置態(tài)衰減回基態(tài)。 衰變路徑取決于 NV 中心的電子自旋。 因此，可以光學(xué)地讀出電子自旋。

激光激發(fā)

NV 中心由波長為 520nm 的強(qiáng)大 100mW 連續(xù)波激光器激發(fā)。 激光被準(zhǔn)直和擴(kuò)展，為以下顯微鏡物鏡創(chuàng)造zui 佳條件。 物鏡將激光聚焦到摻氮金剛石上。

鉆石樣品堆

由物鏡聚焦的激光光斑會擊中內(nèi)置在電路板上的鉆石。 微波天線也集成在電路板上。 它安裝在樣品本身所附著的堆棧上。 根據(jù)實驗的不同，帶有天線和鉆石的電路板可以用其他帶有不同鉆石的電路板代替。

微波掃描和脈沖

微波輻射由電路板內(nèi)的天線發(fā)射。 它由 quNV 底部的電子元件控制。 微波可以改變幅度、掃頻甚至是脈沖的。

亥姆霍茲線圈

三個亥姆霍茲線圈圍繞樣品堆。 這三個線圈產(chǎn)生均勻的磁場作為 NV 中心的偏置。 所有三個線圈也可以單獨控制以在三個維度上調(diào)整場。 出于安全原因，線圈配備有溫度監(jiān)測傳感器。

模式生成器

quNV 底座中的電子設(shè)備還包括一個圖案發(fā)生器。 該圖案發(fā)生器可以控制和脈沖激光、微波和用于熒光讀出的光電二極管。 可以將不同的脈沖模式應(yīng)用于所有三個組件，其間具有所需的時間間隔。 連續(xù)激光可以脈沖用于激發(fā)和讀出，微波用于發(fā)射 π 和 π/2 脈沖，光電二極管門控。

光電二極管

來自激發(fā)的 NV 中心的熒光也被顯微鏡物鏡收集，并通過相同的光路返回儀器頂部的單元。 在那里，紅色熒光通過雙色鏡與綠色激發(fā)激光分離。 在兩個反射鏡進(jìn)行正確對齊后，熒光被帶通過濾以僅測量紅色熒光，而不是激發(fā)激光或環(huán)境。 zui后，光聚焦在快速光電二極管的有源區(qū)。

測量

在基本測量中，設(shè)置了亥姆霍茲線圈的偏磁場。然后激光激發(fā)鉆石中的 NV 中心，在紅色光譜中發(fā)出熒光。該光被光電二極管檢測到?，F(xiàn)在掃描微波頻率。繪制該頻率與熒光強(qiáng)度的關(guān)系圖顯示了 NV 中心的共振頻率。

通過顯微鏡物鏡通過光電二極管對 NV 中心進(jìn)行熒光測量。

用于激光、微波和光電二極管讀出的脈沖和定時的圖案發(fā)生器。

三、quNV 量子金剛石磁力計應(yīng)用

NV 中心的動態(tài)特性允許自旋初始化和狀態(tài)讀出等應(yīng)用。因此，該中心適用于磁場傳感、自旋弛豫時間測量和光學(xué)檢測磁共振 (ODMR) 等量子傳感應(yīng)用。

由于它們的可擴(kuò)展性、長相干時間和與光子相互作用的能力，NV 中心對量子信息處理的研究具有很高的興趣。量子比特可以定義為單電子或核自旋的自旋態(tài)。

通過顯微鏡物鏡對 NV 中心進(jìn)行激光激發(fā)。

可進(jìn)行的實驗：

以下是您可以使用quNV進(jìn)行的實驗列表：            

NV中心熒光                              

光學(xué)檢測磁共振 (ODMR) 顯微鏡                  

塞曼效應(yīng)                               

晶格中 NV 中心的方向                       

磁場感應(yīng)

自旋初始化和讀出（T1 時間）

拉比振蕩

脈沖序列開發(fā)

相干時間 T2

拉姆齊序列

動態(tài)解耦，Hahn Echo

quNV的可能應(yīng)用包括：

學(xué)生實驗室課程實驗

講座中的演示實驗

學(xué)生研究中心的項目套件

四、quNV 量子金剛石磁力計變體和升級

NV 量子傳感套件的核心單元可以進(jìn)一步補(bǔ)充和升級，以使用單個 NV 中心進(jìn)行實驗或?qū)⒃O(shè)置用作全量子顯微鏡。

顯微鏡變體

此變體將讓您更深入地了解 NV 中心顯微鏡在不同樣品（例如地質(zhì)或生物樣品）的磁性分析中的應(yīng)用。

摻雜鉆石

在顯微鏡變體的核心，有一個化學(xué)純 CVD 鉆石，其 NV 中心在鉆石表面下方均勻分布，以便zui 好地將它們與

樣品的磁性耦合。

目標(biāo)

具有所需幅度和匹配光學(xué)設(shè)置的物鏡將完成磁場顯微鏡圖像的排列。

相機(jī)

代替光電二極管或單光子變體的 APD，可以使用相機(jī)同時獲得鉆石和樣品的寬視場。然后可以顯示如何在該視場上執(zhí)行 ODMR 測量，以同時確定每個點的磁場。

傳感套件

嘗試不同摻雜鉆石的效果，并使用它們對不同樣品進(jìn)行顯微測量。

摻雜鉆石

在不同深度層中摻雜的鉆石的選擇，并且 NV 中心的不同濃度指向不同的方向。

樣品

不同的切割和拋光巖石樣品顯示出地質(zhì)領(lǐng)域有趣的磁性。

單光子變體

使用此變體，您將獲得在特別準(zhǔn)備的鉆石中定位和操作單個 NV 中心的能力。

高數(shù)值孔徑共聚焦顯微鏡

高 NA 物鏡和以下共焦顯微鏡設(shè)置可以將高百分比的發(fā)射熒光光子耦合到通向檢測器的光纖中。

鉆石樣品

具有超低 NV 中心濃度的特制化學(xué)純 CVD 金剛石是該變體的核心，以確保焦點中的單個和孤立的 NV 中心。

壓電平臺

高精度壓電平臺允許對觀察區(qū)域進(jìn)行精確控制和掃描，以便發(fā)現(xiàn)缺陷并保持專注。

單光子探測器

具有清晰時間分辨率的基于光纖的高效雪崩光電二極管完善了系統(tǒng)。LGBT升級

LGBT升級

測量 g (2)函數(shù)以證明發(fā)射的光子不能被分裂，并且 NV 中心是真正的單光子源。

光纖分束器

單個光子被引導(dǎo)到分束器以嘗試將它們分開。

附加單光子探測器

使用額外的單光子探測器，可以測量發(fā)射光子的光子統(tǒng)計數(shù)據(jù)。

皮秒定時分辨率

借助從我們的 quTAG 時間標(biāo)記器系列中借用的技術(shù)，可以將 APD 信號分析到皮秒時域，以顯示高分辨率 g 摻雜鉆石

在顯微鏡變體的核心，有一個化學(xué)純 CVD 鉆石，其 NV 中心在鉆石表面下方均勻分布，以便zui 好地將它們與

樣品的磁性耦合。

目標(biāo)

具有所需幅度和匹配光學(xué)設(shè)置的物鏡將完成磁場顯微鏡圖像的排列。

相機(jī)

代替光電二極管或單光子變體的 APD，可以使用相機(jī)同時獲得鉆石和樣品的寬視場。然后可以顯示如何在該視場上執(zhí)行 ODMR 測量，以同時確定每個點的磁場。

傳感套件

嘗試不同摻雜鉆石的效果，并使用它們對不同樣品進(jìn)行顯微測量。

摻雜鉆石

在不同深度層中摻雜的鉆石的選擇，并且 NV 中心的不同濃度指向不同的方向。

樣品

不同的切割和拋光巖石樣品顯示出地質(zhì)領(lǐng)域有趣的磁性。

單光子變體

使用此變體，您將獲得在特別準(zhǔn)備的鉆石中定位和操作單個 NV 中心的能力。

高數(shù)值孔徑共聚焦顯微鏡

高 NA 物鏡和以下共焦顯微鏡設(shè)置可以將高百分比的發(fā)射熒光光子耦合到通向檢測器的光纖中。

鉆石樣品

具有超低 NV 中心濃度的特制化學(xué)純 CVD 金剛石是該變體的核心，以確保焦點中的單個和孤立的 NV 中心。

壓電平臺

高精度壓電平臺允許對觀察區(qū)域進(jìn)行精確控制和掃描，以便發(fā)現(xiàn)缺陷并保持專注。

單光子探測器

具有清晰時間分辨率的基于光纖的高效雪崩光電二極管完善了系統(tǒng)。

LGBT升級

測量 g (2)函數(shù)以證明發(fā)射的光子不能被分裂，并且 NV 中心是真正的單光子源。

光纖分束器

單個光子被引導(dǎo)到分束器以嘗試將它們分開。

附加單光子探測器

使用額外的單光子探測器，可以測量發(fā)射光子的光子統(tǒng)計數(shù)據(jù)。

皮秒定時分辨率

借助從我們的 quTAG 時間標(biāo)記器系列中借用的技術(shù)，可以將 APD 信號分析到皮秒時域，以顯示高分辨率 g (2)下降。

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