氮空位(NV)色心是一种具备优良光学性能和自旋特性的金刚石发光缺陷, 由于其在超分辨成像技术、量子测量、量子信息等领域的巨大应用前景, 近年来吸引了许多科研工作者的关注。目前, 人们已经通过多种方法制备浓度和空间位置可控的高品质NV色心, 并推动了其在量子传感和量子信息等领域的应用。NV色心的电子自旋哈密顿量与多种物理量有关, 因此能够通过读取NV色心的电子自旋态实现量子精密测量; 此外, NV色心作为一种电子自旋相干时间长、性能稳定的固态自旋量子体系, 可以实现安全高效的量子信息处理。近年来, 量子测量的灵敏度随着NV色心制备工艺的进步而快速提升。介绍了NV色心的结构和基本特性, 并对其制备和应用进行了总结和展望。

本文提出了一种基于电子自旋共振效应的位移振动检测方法, 以金刚石氮空位色心为敏感单元, 利用其对磁场强度的高敏感机理来进行。我们设计并搭建了振动发生装置和磁场检测系统。其中, 该系统由荧光聚焦系统、载流磁线圈和直尺组成。荧光聚焦系统负责高效地激发和收集荧光, 并确定电子自旋效应的分裂程度。载流线圈负责产生一个高线性的梯度磁场, 标尺作为振动源, 产生振动信号, 驱动载流线圈振动。然后, 通过严格的静态与动态实验分析, 当磁线圈携带0.1 A的电流时, 该位移灵敏度为25.11 nmHz12, 理论位移灵敏度约为2.106 nmHz12, 最小磁灵敏度极限为0.198 nTHz12, 振动信号的频率为6.31 Hz, 振幅为0.744 mm。该实验验证了检测方法的可行性。这为高精度位移振动检测方法提供了新的途径。

在基于NV量子信息实验台上,我们需要对金刚石NV色心施加特定序列的微波射频脉冲信号。为了将特定序列的微波射频脉冲信号作用在样品上,我们利用具有损耗低、无截止频率等特点的槽线设计了一种新型平面电路辐射结构,能够将经过调制的微波射频脉冲信号转化为交变微波场,并作用在金刚石NV色心上,进而实现量子态调控。本设计基于的原理是利用传统槽线作为主传输线,T型槽线作为功分结构,Ω型圆环作为辐射结构,将主传输线中的一部分功率流馈入Ω型圆环内,辐射出较强的微波场。对比传统的光刻微纳工艺方法,本设计利用激光刻蚀及电化学镀铜工艺方法实现了辐射结构的低成本制作。通过网络分析仪等仪器设备测试后,该辐射结构目前已应用到基于NV量子信息实验台中,在高频28 GHz和低频71 MHz工作频率附近分别取得了约448 Gauss和4849 Gauss大小的交变磁场。

研究了二阶磁梯度诱导的纳米金刚石氮空位(NV)色心耦合机械振子系统中两机械模式与NV色心的纠缠动力学特性,分析了系统相干角、机械模式的衰减率、NV色心的自发衰减率等对纠缠的影响。研究结果表明,选择合适的系统参数可以制备机械模式和NV色心之间的最大纠缠态;相干角对系统的纠缠动力学特性具有重要影响,当耗散存在时,通过控制相干角可以有效调节系统抵抗纠缠衰减的能力;相比于NV色心的自发衰减,机械模式的衰减使系统纠缠更快衰减和消失。

金刚石NV-色心具有优越的光致发光特性, 可实现高灵敏度物理量探测。 其中, NV-色心的浓度是影响其宏观领域物理量探测灵敏度的重要因素之一。 分析了金刚石在NV-色心制备过程中产生的发光缺陷, 研究了不同的电子注入剂量与NV-色心浓度的关系。 首先, 对金刚石进行电子辐照并高温真空退火, 制备了NV-色心; 然后, 利用拉曼光谱仪测试了金刚石在电子辐照前、 电子辐照后及退火后三个阶段中的荧光光谱, 分析了金刚石在NV-色心制备过程中的光谱特性; 最后, 对生成的NV-色心的浓度进行了估算, 并探究了不同电子注入剂量对NV-色心浓度的影响规律。 结果表明, 金刚石经电子注入后生成了524.7, 541.1, 578和648.1 nm发光中心。 其中, HPHT合成金刚石经电子注入后普遍存在524.7 nm中心。 电子注入后的金刚石经高温(≥800 ℃)真空(≥10-7 Pa)退火后, 空位自由移动, 不稳定的缺陷消失, 当空位靠近氮原子时被束缚而形成氮空位色心。 对于氮含量100 ppm的金刚石, 当电子注入产生的空位含量小于120 ppm(2.1×1019 cm-3)时, NV-色心浓度与电子注入生成空位的含量的关系符合Boltzmann分布。 该研究为利用氮含量100 ppm的金刚石实现定量NV-色心浓度的制备提供了参考依据, 为NV-色心在宏观物理量精密测量的应用奠定了基础。

光学显微镜的出现为细胞等微观结构的研究打开了新的大门，然而衍射极限的限制使得更加精细的结构难以探测。近年来，一些充满创造性的方法突破了衍射极限，达到纳米级分辨率。氮-空位（NV）色心是金刚石中一种常见的发光缺陷，由于其具有明亮而稳定的发光性质和较长的电子自旋相干时间而被广泛应用于量子计算与量子测量中；同时，NV色心在超分辨成像技术中也发挥着巨大作用，通过与各种超分辨成像显微镜的结合，实现了对NV色心的纳米级分辨率成像，而且进一步实现高空间分辨率的量子传感。本文简单介绍了NV色心的结构与性质，以及各类成像技术的基本原理；对NV色心与超分辨成像结合的各项技术实验成果进行了归纳与比较，并对其应用进行了总结与展望。