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
![](http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/9/9c/Diamond_Structure.png/350px-Diamond_Structure.png)
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
![](http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/9/9c/NV_levels.gif/350px-NV_levels.gif)
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…
![](http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/4/4d/NV_spectrum.gif/350px-NV_spectrum.gif)
В отсутствие внешнего магнитного поля — электронные состояния (основное и возбуждённое) расщеплены магнитным взаимодействием между двумя неспаренными электронами N-V− центра: при параллельных спинах электронов (ms=±1) — их энергия больше, чем в случае с антипараллельными спинами (ms=0).
Чем дальше отделены электроны — тем слабее взаимодействие D (приблизительно, D ~ 1/r³).[15] Иными словами, меньшее расщепление возбуждённого состояния — означает большую удалённость друг от друга электронов. Когда N-V− находится во внешнем магнитном поле — оно не влияет ни на ms=0 состояния, ни на 1A состояние (из-за того, что S=0), но расщепляет ms=±1 уровни; если же магнитное поле сориентировано вдоль оси дефекта и его величина достигает 1027 гаусс (или 508 гаусс), то уровни ms=−1 и ms=0 в основном (или возбуждённом) состоянии имеют одинаковую энергию. При этом они сильно взаимодействуют через т. н. спиновую поляризацию, что очень сильно влияет на интенсивности: оптического поглощения и люминесценции этих уровней.[12]
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:
![](http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/a/a8/NV-Setup.gif/300px-NV-Setup.gif)
- 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
![](http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/a/a1/Correlation_G2.gif/300px-Correlation_G2.gif)
Тонкий оптический спектр NV-центра определяется несколькими факторами:
- Механическим напряжением внутри кристалла;
- Присутствием атомов в окружении NV-центра:
- Изотоп азота 14N;
- Изотоп углерода 13C;
— имеющих ядерный спин равный 1 и ½, соответственно. Спин-спиновое взаимодействие ядра и электронов приводит к дополнительному усложнению спектра центра.
Изотопы 15N и 12C имеют ядерный спин равный ½ и 0, соответственно.
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 химического осаждения из паровой фазы (CVD)). Если же концентрация центров недостаточна, то образцы облучают и отжигают. Облучение ведут высокоэнергетическими частицами (10—80 кэВ); это может быть поток: электронов, протонов, нейтронов и гамма-частиц. NV−-центры создаются на глубине до 60 мкм. Интересно, что NV0 в основном залегают до 0.2 мкм глубин. Созданные вакансии при комнатной температуре малоподвижны, однако при повышении температуры (выше 800С) их подвижность значительно вырастает. Атом азота, внедрённый в решётку, захватывает одну из вакансий и создаёт с другой соседней вакансией NV−.[25][26]
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 конфокальный сканирующий микроскоп, имеющий субмикронное разрешение (~250 нм).
Примечания
- ↑ P. C. Maurer, J. R. Maze, P. L. Stanwix, L. Jiang, A. V. Gorshkov, A. A. Zibrov, B. Harke, J. S. Hodges, A. S. Zibrov, A. Yacoby, et al. Far-field optical imaging and manipulation of individual spins with nanoscale resolution (англ.) // Nature Physics : journal. — P. 1—7. — doi:10.1038/nphys1774.
- ↑ M. V. Gurudev Dutt, L. Childress, L. Jiang, E. Togan, J. Maze, F. Jelezko, A. S. Zibrov, P. R. Hemmer, M. D. Lukin. Quantum register based on individual electronic and nuclear spin qubits in diamond. (англ.) // Science : journal. — 2007. — Vol. 1312—1316. — P. 1—7. — doi:10.1126/science.1139831.
- ↑ Davies G., Hamer M. F.,. Optical Studies of the 1.945 eV Vibronic Band in Diamond (англ.) // Proceedings of the Royal Society of London. Series A, Mathematical and Physical Sciences (1934-1990) : journal. — 1976. — Vol. 348. — P. 285. — doi:10.1098/rspa.1976.0039.
- ↑ Mita Yoshimi. Change of absorption spectra in type-Ib diamond with heavy neutron irradiation (англ.) // Physical Review B : journal. — 1996. — Vol. 53. — P. 11360. — doi:10.1103/PhysRevB.53.11360.
- ↑ Iakoubovskii K., Adriaenssens G.J., Nesladek M.,. Photochromism of vacancy-related centres in diamond (англ.) // Journal of Physics: Condensed Matter[англ.] : journal. — 2000. — Vol. 12. — doi:10.1088/0953-8984/12/2/308.
- ↑ Loubser J. H. N., van Wyk J. A. Electron spin resonance in the study of diamond (англ.) // Reports on Progress in Physics[англ.] : journal. — 1978. — Vol. 41. — P. 1201. — doi:10.1088/0034-4885/41/8/002.
- ↑ Redman D., Brown S., Sands R., Rand S. Spin dynamics and electronic states of N-V centers in diamond by EPR and four-wave-mixing spectroscopy (англ.) // Physical Review Letters : journal. — 1991. — Vol. 67. — P. 3420. — doi:10.1103/PhysRevLett.67.3420.
- ↑ Gruber, A. Scanning Confocal Optical Microscopy and Magnetic Resonance on Single Defect Centers (англ.) // Science : journal. — 1997. — Vol. 276. — P. 2012. — doi:10.1126/science.276.5321.2012.
- ↑ Felton S., Edmonds A. M., Newton M. E., Twitchen D. J. Electron paramagnetic resonance studies of the neutral nitrogen vacancy in diamond (англ.) // Physical Review B : journal. — 2008. — Vol. 77. — P. 081201. — doi:10.1103/PhysRevB.77.081201.
- ↑ P.Neumann, R.Kolesov, B.Naydenov , et al. Quantum register based on coupled electron spins in a room-temperature solid (англ.) // Nature Physics : journal. — 2010. — Vol. AOP. — P. 1—5. — doi:10.1038/NPHYS1536.
- ↑ David D. Awschalom, Ryan Epstein and Ronald Hanson. Diamond Age of Spintronics (англ.) // Scientific American. — Springer Nature, 2007. — October. — P. 90.
- ↑ 1 2 Fuchs G. D., Dobrovitski V. V., Hanson R., Batra A., Weis C. D., Schenkel T., Awschalom D. D.,. Excited-State Spectroscopy Using Single Spin Manipulation in Diamond (англ.) // Physical Review Letters, : journal. — 2008. — Vol. 101. — P. 117601. — doi:10.1103/PhysRevLett.101.117601.
- ↑ M.Steiner, P.Neumann, J. Beck, F. Jelezko, and J. Wrachtrup. Universal enhancement of the optical readout fidelity of single electron spins at nitrogen-vacancy in diamond (англ.) // Phys.Rev B : journal. — Vol. 81. — P. 035205. — doi:10.1103/Phys.RevB.81.035205.
- ↑ 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.
- ↑ 1 2 Tamarat, Ph.; Gaebel, T.; Rabeau, J.; Khan, M.; Greentree, A.; Wilson, H.; Hollenberg, L.; Prawer, S. et al. Stark Shift Control of Single Optical Centers in Diamond (англ.) // Physical Review Letters : journal. — (2006).. — Vol. 97. — P. 083002. — doi:10.1103/PhysRevLett.97.083002.
- ↑ 1 2 3 4 Spin-flip and spin-conserving optical transitions of the nitrogen-vacancy center in diamond (англ.) // New Journal of Physics : journal. — 2008. — Vol. 10. — P. 045004. — doi:10.1088/1367-2630/10/4/045004.
- ↑ C. Santori1, P. Tamarat, P. Neumann, J. Wrachtrup, D. Fattal, R.G. Beausoleil, J. Rabeau, P. Olivero, A. D. Greentree, S. Prawer, F. Jelezko, and Philip Hemmer,. Coherent Population Trapping of Single Spins in Diamond under Optical Excitation (англ.) : journal. — 2006. — Vol. 97. — P. 247401. — doi:10.1103/PhysRevLett.97.247401.
- ↑ Hanson R., Gywat O., Awschalom D. D.,. Room-temperature manipulation and decoherence of a single spin in diamond (англ.) // Physical Review B : journal. — 2006. — Vol. 74. — P. 161203. — doi:10.1103/PhysRevB.74.161203.
- ↑ Dutt M.V.G., Childress L., Jiang L., Togan E., Maze J., Jelezko F., Zibrov A. S., Hemmer P. R., Lukin M.D. Quantum Register Based on Individual Electronic and Nuclear Spin Qubits in Diamond (англ.) // Science : journal. — 2007. — Vol. 316. — P. 1312. — doi:10.1126/science.1139831.
- ↑ Childress L., Gurudev Dutt M. V., Taylor J. M., Zibrov A. S., Jelezko F., Wrachtrup J., Hemmer P. R., Lukin M. D. Coherent Dynamics of Coupled Electron and Nuclear Spin Qubits in Diamond (англ.) // Science : journal. — 2006. — Vol. 314. — P. 281. — doi:10.1126/science.1131871.
- ↑ Batalov A., Zierl C., Gaebel T., Neumann P., Chan I.-Y., Balasubramanian G. Hemmer P. R., Jelezko F., Wrachtrup J.,. Temporal Coherence of Photons Emitted by Single Nitrogen-Vacancy Defect Centers in Diamond Using Optical Rabi-Oscillations (англ.) // Physical Review Letters : journal. — 2008. — Vol. 100. — P. 077401. — doi:10.1103/PhysRevLett.100.077401.
- ↑ Jelezko F., Gaebel T., Popa I., Gruber A., Wrachtrup J.,. Observation of Coherent Oscillations in a Single Electron Spin (англ.) // Physical Review Letters : journal. — 2004. — Vol. 92. — P. 076401. — doi:10.1103/PhysRevLett.92.076401.
- ↑ 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. — doi:10.1098/rsta.1991.0135.
- ↑ K. Iakoubovskii and Guy J. Adriaenssens. Trapping of vacancies by defects in diamond (англ.) // Journal of Physics: Condensed Matter[англ.] : journal. — 2001. — Vol. 13. — P. 6015. — doi:10.1088/0953-8984/13/26/316.
- ↑ Tamarat, Ph.; Gaebel, T.; Rabeau, J.; Khan, M.; Greentree, A.; Wilson, H.; Hollenberg, L.; Prawer, S.; Hemmer, P. Stark Shift Control of Single Optical Centers in Diamond (англ.) // Physical Review Letters : journal. — 2006. — Vol. 97. — P. 083002. — doi:10.1103/PhysRevLett.97.083002.