quNV量子金剛石磁力計(jì)

這種量子金剛石磁力計(jì)及其實(shí)驗(yàn)將向?qū)W生介紹量子傳感的概念。 quNV的設(shè)計(jì)基于近期的科學(xué)研究成果，并在一個(gè)簡(jiǎn)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(shí)驗(yàn)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(chǎng)和電場(chǎng)，可以改變自旋的能級(jí)。 因此，不同的實(shí)驗(yàn)和測(cè)量應(yīng)用是可能的。

一、quNV量子金剛石磁力計(jì)主要特征

二、quNV 量子金剛石磁力計(jì)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(zhǎng)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(huì)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(shí)驗(yàn)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(gè)亥姆霍茲線圈圍繞樣品堆。 這三個(gè)線圈產(chǎn)生均勻的磁場(chǎng)作為 NV 中心的偏置。 所有三個(gè)線圈也可以單獨(dú)控制以在三個(gè)維度上調(diào)整場(chǎng)。 出于安全原因，線圈配備有溫度監(jiān)測(cè)傳感器。

模式生成器

quNV 底座中的電子設(shè)備還包括一個(gè)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(gè)組件，其間具有所需的時(shí)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(gè)反射鏡進(jìn)行正確對(duì)齊后，熒光被帶通過濾以僅測(cè)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(cè)量

在基本測(cè)量中，設(shè)置了亥姆霍茲線圈的偏磁場(chǎng)。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(cè)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(duì) NV 中心進(jìn)行熒光測(cè)量。

用于激光、微波和光電二極管讀出的脈沖和定時(shí)的圖案發(fā)生器。

三、quNV 量子金剛石磁力計(jì)應(yīng)用

NV 中心的動(dòng)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(chǎng)傳感、自旋弛豫時(shí)間測(cè)量和光學(xué)檢測(cè)磁共振 (ODMR) 等量子傳感應(yīng)用。

由于它們的可擴(kuò)展性、長(zhǎng)相干時(shí)間和與光子相互作用的能力，NV 中心對(duì)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(duì) NV 中心進(jìn)行激光激發(fā)。

可進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)：

以下是您可以使用quNV進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)列表：            

NV中心熒光                              

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

塞曼效應(yīng)                               

晶格中 NV 中心的方向                       

磁場(chǎng)感應(yīng)

自旋初始化和讀出（T1 時(shí)間）

拉比振蕩

脈沖序列開發(fā)

相干時(shí)間 T2

拉姆齊序列

動(dòng)態(tài)解耦，Hahn Echo

quNV的可能應(yīng)用包括：

學(xué)生實(shí)驗(yàn)室課程實(shí)驗(yàn)

講座中的演示實(shí)驗(yàn)

學(xué)生研究中心的項(xiàng)目套件

四、quNV 量子金剛石磁力計(jì)變體和升級(jí)

NV 量子傳感套件的核心單元可以進(jìn)一步補(bǔ)充和升級(jí)，以使用單個(gè) NV 中心進(jìn)行實(shí)驗(yàn)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(gè)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(chǎng)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(shí)獲得鉆石和樣品的寬視場(chǎng)。然后可以顯示如何在該視場(chǎng)上執(zhí)行 ODMR 測(cè)量，以同時(shí)確定每個(gè)點(diǎn)的磁場(chǎng)。

傳感套件

嘗試不同摻雜鉆石的效果，并使用它們對(duì)不同樣品進(jìn)行顯微測(cè)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(gè) 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(cè)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(diǎn)中的單個(gè)和孤立的 NV 中心。

壓電平臺(tái)

高精度壓電平臺(tái)允許對(duì)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(cè)器

具有清晰時(shí)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(jí)

LGBT升級(jí)

測(cè)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(gè)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(cè)器

使用額外的單光子探測(cè)器，可以測(cè)量發(fā)射光子的光子統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。

皮秒定時(shí)分辨率

借助從我們的 quTAG 時(shí)間標(biāo)記器系列中借用的技術(shù)，可以將 APD 信號(hào)分析到皮秒時(shí)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(gè)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(chǎng)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(shí)獲得鉆石和樣品的寬視場(chǎng)。然后可以顯示如何在該視場(chǎng)上執(zhí)行 ODMR 測(cè)量，以同時(shí)確定每個(gè)點(diǎn)的磁場(chǎng)。

傳感套件

嘗試不同摻雜鉆石的效果，并使用它們對(duì)不同樣品進(jìn)行顯微測(cè)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(gè) 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(cè)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(diǎn)中的單個(gè)和孤立的 NV 中心。

壓電平臺(tái)

高精度壓電平臺(tái)允許對(duì)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(cè)器

具有清晰時(shí)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(jí)

測(cè)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(gè)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(cè)器

使用額外的單光子探測(cè)器，可以測(cè)量發(fā)射光子的光子統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。

皮秒定時(shí)分辨率

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

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