應用分享｜NKT超連續譜光源助力金剛石氮空位（NV）色心研究

近期，Jun.教授和Elke Neu-Ruffing博士帶領的德國研究小組，報導了他們(men) 基於(yu) 金剛石色心的新型傳(chuan) 感器的部分實驗研究結果。

金剛石色心的應用很廣，從(cong) 通信、密碼學到傳(chuan) 感都能涉及到[1]。

不同的色心具有不同的特性，包括吸收光譜、發射光譜、熒光壽命和自旋態都不盡相同，因此適合於(yu) 不同的應用。為(wei) 了進一步調控色心的熒光特性，人們(men) 將其嵌入到光子納米結構中[2,3]。

相對於(yu) 塊狀金剛石中的色心，嵌入納米結構中的色心由於(yu) 外部光學環境的改變，通常會(hui) 引起其激發態壽命的變化，因此需要搭建新的實驗裝置進行觀察。

圖1：（a）NV（氮空位）體(ti) 係上WSe2（硒化鎢）薄片的光致發光圖。此處選用了SuperK EXTREME超連續譜光源，搭配脈衝(chong) 選擇器和VARIA濾波器，脈衝(chong) 選擇器重複頻率為(wei) 8 MHz，濾波器設置到530-534 nm的激發波段。（b），（c）表示的是與(yu) （a）中光致發光圖對應的NV體(ti) 係和WSe2薄片的熒光壽命圖。實驗中，始終能觀察到WSe2薄片下麵NV色心熒光壽命的減少，與(yu) 此相對的是，WSe2薄片之間的NV色心總壽命達到12ns。請注意圖（b）中的色標方向是反的。通過這種方式，可以清晰的顯示從(cong) NV色心到WSe2的能量轉移（摘自參考文獻[4]）。

超連續譜激光器是理想的熒光激發源

實驗中，我們(men) 搭建了一套多功能的共聚焦激光熒光顯微鏡。選擇的熒光激發源是NKT Photonics公司的SuperK EXTREME超連續譜激光器，並配備了脈衝(chong) 選擇器和VARIA濾波器係統。該配置是用作時間分辨，如熒光壽命成像（FLIM）的理想選擇。

由於(yu) 氮空位（NV）色心具有穩定的光發射和光學可尋址自旋態等特性，使其可用於(yu) 各種物理量的傳(chuan) 感[1]。

熒光壽命圖揭示了NV色心與(yu) WSe2之間的相互作用

近，我們(men) 為(wei) 納米單晶金剛石NV色心研發了一種新型的傳(chuan) 感方法。

利用NV色心的偶極特性以及較寬的光發射帶，可以驗證NV色心與(yu) 附近其他偶極子的能量轉移。實驗中，利用了金剛石表麵單層硒化鎢（WSe2）中的激子，該過程稱為(wei) 福斯特共振能量轉移（FRET）[4]。

當FRET為(wei) NV色心的激發態開辟出一條額外的衰減通道時，NV色心與(yu) WSe2的相互作用表現為(wei) 其激發態壽命變化。當單層WSe2薄片被轉移到金剛石表麵，並利用熒光壽命成像顯微鏡（FLIM）對金剛石淺表層的NV色心進行測量，獲取其熒光壽命圖。[見圖1（a）]。

FRET過程中，NV色心仍然具備磁場感測能力

基於(yu) 熒光壽命圖，我們(men) 研究了NV色心與(yu) 單層WSe2薄片之間的相互作用。正是在NKT Photonics激光係統的有效輔助下，特別是其穩定的脈衝(chong) 強度、寬的光譜範圍、簡易可選的重複頻率以及對無效脈衝(chong) 的高抑製性等優(you) 勢，終實現了必要的測量，並完成了該項新應用的研究。

SuperK EXTREME的脈衝(chong) 選擇器可確保激光脈衝(chong) 與(yu) 探測器的同步，建立檢測的時間門控，終清晰地區分出WSe2和金剛石NV色心的熒光 [比較圖1（b）和（c）]。時間同步非常重要，特別是要進一步研究NV色心與(yu) WSe2薄片相互作用時的自旋特性。實驗展示了FRET過程中，NV色心的磁場感測能力仍保持不變，利用該特性，金剛石中的NV色心有望成為(wei) 多功能傳(chuan) 感器。

研究小組介紹

由Jun. 教授和Elke Neu-Ruffing博士領導的研究小組，致力於(yu) 研究基於(yu) 金剛石色心的新型傳(chuan) 感器。金剛石中的雜質，即所謂的色心，可以看作是人造原子。它們(men) 與(yu) 原子一樣小，可以用作高靈敏度的傳(chuan) 感器，例如磁場探測。為(wei) 了建立分辨率接近納米量級的高空間分辨率圖像，我們(men) 將色心嵌入到納米級的掃描探針結構中。這些新型結構的研究成果可作為(wei) 生命科學的通用成像工具。

Jun.-Prof. Dr. Elke Neu-Ruffing

Technische Universität Kaiserslautern

phones: +49 (0)681 205-5788

nruffing(at)rhrk.uni-kl.de

參考文獻

[1] M. Radtke, E. Bernardi, A. Slablab, R. Nelz, and E. Neu, “Nanoscale sensing based on nitrogen vacancy centers in single crystal diamond and nanodiamonds: achievements and challenges," Nano Futures 3 (4), 042004 (2019).

[2] P. Fuchs, M. Challier, and E. Neu, „Optimized single-crystal diamond scanning probes for high sensitivity magnetometry," New J. Phys. 20, 125001 (2018).

[3] R. Nelz, P. Fuchs, O. Opaluch, S. Sonusen, N. Savenko, V. Podgursky, and E. Neu, „Color center fluorescence and spin manipulation in single crystal, pyramidal diamond tips," Appl. Phys. Lett. 109, 193105 (2016).

[4] R. Nelz, M. Radtke, A. Slablab, Z.-Q. Xu, M. Kianinia, C. Li, C. Bradac, I. Aharonovich, and E. Neu, “Near‐Field Energy Transfer between a Luminescent 2D Material and Color Centers in Diamond," Adv. Quantum Techn. 1900088 (2019).

相關(guan) 應用

金剛石NV色心

氮空位色心(NV色心)屬於(yu) 金剛石中的點缺陷之一，其為(wei) 人們(men) 熟知和利用的特性是光致發光。單個(ge) 的NV色心，特別是處於(yu) 負電荷狀態(NV-)時，其光致發光可以被輕易的探測到。

通過施加磁場、電場、輻射、光照或以上方式的組合，可以操縱NV色心中的電子自旋態，從(cong) 而大大的改變光致發光的強度和波長。

單獨的NV色心可被看作計算的基本單元，使其在電子學和計算科學的前沿領域，包括密碼學和自旋電子學中有著潛在的應用價(jia) 值。