近年來(lái)，金剛石NV色心（Nitrogen-vacancy defect centers）在科研界受到越來(lái)越多的科學(xué)家的重視。NV色心*且穩(wěn)定的光學(xué)性使其擁有其廣泛的應(yīng)用前景。尤其在大力興起的量子信息域，NV色心可以作為單光子源用于量子計(jì)算。而且NV色心作為具有量子敏感度的傳感器，還可應(yīng)用于納米分辨率的磁場(chǎng)、電場(chǎng)、溫度和壓力的探測(cè)。在生物學(xué)域，NV色心更是的生物標(biāo)識(shí)物，具有光學(xué)性能穩(wěn)定，細(xì)胞毒性低的點(diǎn)。

    德國(guó)attocube systems AG公司針對(duì)NV色心應(yīng)用域開發(fā)了多款低溫納米精度位移器及掃描器，為低溫下的NV色心準(zhǔn)確位移、旋轉(zhuǎn)及掃描提供了很大的便。以下我們總結(jié)了低溫環(huán)境中(4K)NV色心研究的典型實(shí)驗(yàn)方案。

1. 基于NV 色心的量子網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)和寄存器設(shè)計(jì)

    量子網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的實(shí)現(xiàn)是未來(lái)量子網(wǎng)絡(luò)乃至量子互聯(lián)網(wǎng)的基本要求。這樣的量子寄存器在不干擾底層量子狀態(tài)的情況下負(fù)責(zé)接收或發(fā)射信息。近期，美國(guó)哈瓦德大學(xué)（Cambridge，MA，USA）的Marko Loncar和Mikhail Lukin小組提出了基于金剛石納米腔中硅空位色心的基本量子網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。課題組在稀釋制冷機(jī)中采用德國(guó)attocube的低溫納米位移器ANPxyz101和atocube的低溫復(fù)色差物鏡搭建的低溫mK共聚焦顯微鏡，對(duì)金剛石晶格中的光學(xué)活性點(diǎn)缺陷進(jìn)行了表征。此外，作者還通過(guò)將系統(tǒng)耦合到入射光光子以及附近具有100 ms退相干時(shí)間的核自旋來(lái)演示作為量子寄存器節(jié)點(diǎn)的工作原理。使量子中繼器邁出了堅(jiān)實(shí)的步。

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C.T. Nguyen et al, Phys. Rev. B 100, 165428 (2019)

圖、基于德國(guó)attocube公司的低溫納米精度位移臺(tái)和低溫消色差物鏡搭建的共聚焦顯微鏡

圖二、系統(tǒng)原理圖

2. NV 色心在加壓凝聚態(tài)系統(tǒng)中的量子傳感

    壓力引起的影響包括平面內(nèi)部性質(zhì)變化與量子力學(xué)相轉(zhuǎn)變。由于高壓儀器內(nèi)會(huì)產(chǎn)生巨大的壓力梯度，例如金剛石腔，致使常用的光譜測(cè)量技術(shù)受到限制。為了解決這難題，巴黎第十大學(xué)，香港中文大學(xué)和加州伯克大學(xué)的科研團(tuán)隊(duì)共同研發(fā)了個(gè)新奇的納米尺度傳感器，研究者把量子自旋缺陷集成到金剛石壓腔中來(lái)探測(cè)壓力和溫度下的微小信號(hào)，空間分辨率不受到衍射限限制。

    為此，加州伯克大學(xué)團(tuán)隊(duì)使用與光學(xué)平臺(tái)高度集成的閉循環(huán)德國(guó)attocube公司的attoDRY800低溫恒溫器來(lái)進(jìn)行試驗(yàn)，attoDRY800中集成了attocube公司的低溫納米精度位移臺(tái)，以此來(lái)實(shí)現(xiàn)快速并且準(zhǔn)確控制金剛石壓強(qiáng)的移動(dòng)以及測(cè)量實(shí)驗(yàn)。

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S. Hsieh et al., Science, Vol. 366, Issue 6471, pp. 1349-1354 (2019) 
M. Lesik, et al., Science, Vol. 366, Issue 6471, pp. 1359-1362 (2019)
K. Yau Yip et al., Science, Vol. 366, Issue 6471, pp. 1355-1359 (2019)

圖、實(shí)驗(yàn)示意圖及測(cè)量結(jié)果

3. NV 色心的自旋與光子的增強(qiáng)耦合研究

    可靠的量子信息系統(tǒng)需要不同的量子系統(tǒng)結(jié)合它們各自的高性來(lái)實(shí)現(xiàn)。光子作為局域量子比之間的媒介提供了尤為靈活和普遍的可能性。因此，對(duì)固體量子比與光子的有效耦合是量子計(jì)算的基本要求。氮空位中心具有較長(zhǎng)的自旋相干時(shí)間，其自旋可以通過(guò)光學(xué)初始化、操縱和檢測(cè)。然而，只有大約3%的光子發(fā)射被躍遷到了零聲子線中。這很大的限制了單光子的區(qū)分效率和自旋與光子的相干相互作用信噪比。德國(guó)薩蘭大學(xué)（Saarbrücken, Germany）的Christoph Becher小組設(shè)計(jì)和制造了個(gè)可調(diào)諧二維光子晶體腔（圖1A），并報(bào)道了個(gè)數(shù)量的增強(qiáng)發(fā)射率（圖1B）。通過(guò)激光誘導(dǎo)，實(shí)現(xiàn)了M0腔模式與NV中心零聲子線共振的調(diào)諧。原位光學(xué)測(cè)量可控制實(shí)時(shí)的調(diào)諧過(guò)程。其制作化和調(diào)諧結(jié)果是光學(xué)自旋讀出結(jié)果是其信噪比的三倍。Christoph教授提出的制造工藝和實(shí)驗(yàn)裝置，可以獲得更高的信噪比。為未來(lái)的量子信息提供了更多的可能和客觀的前景，在此測(cè)量實(shí)驗(yàn)中使用的德國(guó)attocube公司制造的低溫納米位移器ANPxyz101，能夠在低溫環(huán)境下，實(shí)現(xiàn)5 mm*5 mm*5 mm的行程，而且能夠?qū)崿F(xiàn)200 nm分辨率，1 μm精度的閉環(huán)反饋。

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T. Jung, et al; "Spin Measurements of NV Centers Coupled to a Photonic Crystal Cavity", arXiv:1907.07602 (2019)

圖、A 實(shí)驗(yàn)制備的可調(diào)諧的二維光子晶體腔體；B 在637.4 nm處M0腔模式和NV-ZPL的相互作用

4. 總體NV色心信號(hào)收集實(shí)驗(yàn)

    將磁性樣品覆蓋在表面具有較多NV色心的塊體金剛石襯底上。這個(gè)NV色心表面層通常由離子注入或在金剛石表面合成富氮表面層來(lái)實(shí)現(xiàn)。通常采用532 nm的激光激發(fā)NV色心到激發(fā)態(tài)，并在630-800 nm波長(zhǎng)范圍收集熒光信號(hào)。同時(shí)用微波信號(hào)激發(fā)和探測(cè)NV色心的自旋態(tài)（ESR）。熒光信號(hào)由二維的CCD探測(cè)陣列收集成像并與樣品相對(duì)應(yīng)。與單個(gè)NV色心的研究不同，該實(shí)驗(yàn)方案采用大工作距離獲得大視野范圍的成像，從而實(shí)現(xiàn)大面積信號(hào)的采集。該實(shí)驗(yàn)方案中對(duì)于塊體金剛石襯底及磁性樣品的準(zhǔn)確位移采用的是attocube公司的ANP341系列納米精度位移臺(tái)，該位移臺(tái)可以在4K低溫強(qiáng)磁場(chǎng)環(huán)境中實(shí)現(xiàn)20 mm超大行程的位移，小位移步長(zhǎng)20 nm@4K，垂直方向的載重達(dá)2 Kg，低溫下采用電阻式傳感器，可以實(shí)現(xiàn)200 nm的分辨率，1 μm的重復(fù)精度。

圖、 CCD與顯微鏡成像系統(tǒng)

圖二、 低溫強(qiáng)磁環(huán)境兼容納米精度位移臺(tái) ANP341

5. 單個(gè)NV色心研究：樣品表面的納米金剛石

    納米金剛石的單個(gè)NV色心探測(cè)可以通過(guò)共聚焦顯微技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。該實(shí)驗(yàn)裝置包括attocube的三維低溫納米位移臺(tái)，Z方向可以準(zhǔn)確調(diào)整樣品到焦平面，XY可以對(duì)樣品表面進(jìn)行掃描。采用532 nm激光激發(fā)，對(duì)630 nm-800 nm范圍的熒光信號(hào)進(jìn)行采集。采用可調(diào)的微波信號(hào)對(duì)NV色心的自旋態(tài)進(jìn)行激發(fā)，通過(guò)熒光信號(hào)的峰值位移來(lái)確定其自旋態(tài)。整個(gè)實(shí)驗(yàn)在4K低溫恒溫器中進(jìn)行。為了研究感興趣的區(qū)域，通常將金剛石粉末（20-30 nm）均勻的撒在樣品表面，然后使用attocube三維納米位移臺(tái)來(lái)掃描樣品并且對(duì)定NV色心進(jìn)行測(cè)量，并且可以通過(guò)單個(gè)NV色心觀測(cè)較大溫度范圍內(nèi)的樣品性質(zhì)。

圖、掃描共聚焦顯微鏡示意圖

Tokura課題組成功的運(yùn)用此技術(shù)研究了FeGe樣品中的磁渦旋結(jié)構(gòu)。

更多細(xì)節(jié)請(qǐng)參考：

Using NV-Center Optically Detected Magnetic Resonance (ODMR) as a Probe for Local Magnetic Dynamics in Transition Metals

6. 掃描探針量子探測(cè)器(例如：掃描磁力顯微鏡)

    將個(gè)NV色心固定在掃描探針顯微鏡的探針末端?？梢酝ㄟ^(guò)在針尖上“粘貼”納米金剛石，或采用納米壓印與O₂刻蝕技術(shù)將塊體金剛石加工成再用N-14注入來(lái)實(shí)現(xiàn)NV色心，現(xiàn)在甚至已經(jīng)有商業(yè)化的針尖。采用共聚焦顯微鏡將激發(fā)光聚焦在掃描探針的NV色心上。實(shí)驗(yàn)中樣品的準(zhǔn)確掃描是通過(guò)attocube公司的低溫納米精度位移臺(tái)進(jìn)行。這樣便可實(shí)現(xiàn)對(duì)樣品表面的納米精度大范圍成像測(cè)量。該技術(shù)理論上可以對(duì)多種與NV色心熒光相關(guān)的性進(jìn)行高精度顯微學(xué)測(cè)量。

圖、掃描探針顯微鏡示意圖 

    Jayich課題組 (UCSB)運(yùn)用這技術(shù)在BaFe₂(As_0.7P_0.3)₂ 超導(dǎo)材料的轉(zhuǎn)變溫度附近（30K）成功觀測(cè)到了旋渦。這技術(shù)在研究材料低溫下的新奇性質(zhì)方面前景廣闊。

更多細(xì)節(jié)請(qǐng)參考：

Scanned probe imaging of nanoscale magnetism at cryogenic temperatures with a single-spin quantum sensor.

7. 基于NV色心顯微鏡對(duì)疇壁跳變的納米成像與控制

    磁力線中的疇壁可能對(duì)未來(lái)的自旋電子器件是有用的，因此其納米尺度的表征是邁向?qū)嵱没闹匾健Ｕ绶▏?guó)科學(xué)家Vincent Jaques在《科學(xué)》雜志上所展示的那樣，基于AFM/CFM的NV中心顯微鏡可以對(duì)1 nm厚的鐵磁納米線中的疇壁進(jìn)行成像，以及單個(gè)疇壁釘扎位置之間的跳躍。同時(shí)，研究還表明，由于高的局部激光功率，疇壁可以通過(guò)局部加熱誘導(dǎo)跳躍而沿導(dǎo)線移動(dòng)。對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果起關(guān)鍵作用的是德國(guó)attocube公司的低溫納米位移臺(tái)，其能夠?qū)崿F(xiàn)低溫下納米精度的樣品位移、傾角、旋轉(zhuǎn)和掃描等功能。

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Tetienne et al ., Science 344, 1366(2014)

圖、實(shí)驗(yàn)裝置示意圖