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quNV量子金剛石磁力計
這種量子(zi)金剛石磁力計及其(qi)實驗將(jiang)向學生(sheng)介紹(shao)量子(zi)傳(chuan)感(gan)的(de)概(gai)念。 quNV的(de)設計基于(yu)近期的(de)科學研(yan)究成(cheng)果，并在一個簡(jian)單且用戶(hu)友好(hao)的(de)系統中展示(shi)了量子(zi)傳(chuan)感(gan)，用于(yu)高校學生(sheng)實驗室課程。
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。 激發態直接或通過具有不同熒光強度的中間擱置態衰減回基態。 衰變路徑取決于 NV 中心的電子自旋。 因此，可以光學地讀出電子自旋。
微波(bo)輻射可以(yi)進一步(bu)控(kong)制電子自旋。 通過施加磁場和(he)電場，可以(yi)改變自旋的(de)能級。 因此，不同的(de)實驗和(he)測量應用是可能的(de)。
一、quNV量子金剛石磁力計主要特征
| 探(tan)測 | 高溫高壓金剛石 |
| 勵磁(ci) | 520 nm 二(er)極管激光器(qi)，CW 和(he)脈沖(chong) |
| 微波 | 4 GHz 射頻掃描發(fa)生(sheng)器(qi)，CW 和脈沖 |
| 檢測 | 光電二極管(guan)、控(kong)制和讀出(chu)單元 |
| 光學(xue) | 20x 物鏡 |
| 磁場 | 3 個(ge)亥姆霍茲(zi)線圈(quan) |
二、quNV 量子金(jin)剛石磁力計核心組件
基礎 quNV 的核心(xin)是具(ju)有(you)氮(dan)空位 (NV) 中(zhong)心(xin)集合的 HPHT 金剛石。 NV 中(zhong)心(xin)可(ke)(ke)以被(bei)可(ke)(ke)見光(guang)譜中(zhong)的光(guang)激(ji)發。 激(ji)發態(tai)直(zhi)接或通(tong)過(guo)具(ju)有(you)不同熒光(guang)強度的中(zhong)間擱置(zhi)態(tai)衰減回基態(tai)。 衰變路徑取決于 NV 中(zhong)心(xin)的電(dian)子自旋。 因此，可(ke)(ke)以光(guang)學地讀出電(dian)子自旋。
激光(guang)激發(fa)
NV 中心由波長為 520nm 的(de)強大 100mW 連續波激光(guang)器激發。 激光(guang)被準(zhun)直和(he)擴展，為以下顯微鏡(jing)物鏡(jing)創造zui 佳條件。 物鏡(jing)將激光(guang)聚焦到摻氮金(jin)剛石上。
鉆石樣品堆(dui)
由物鏡聚焦的(de)激(ji)光(guang)光(guang)斑會擊中內置(zhi)在電(dian)路(lu)板上(shang)的(de)鉆(zhan)石(shi)。 微波天線也集成在電(dian)路(lu)板上(shang)。 它(ta)安裝在樣品本身(shen)所附著的(de)堆棧上(shang)。 根據實驗的(de)不同，帶(dai)有(you)天線和鉆(zhan)石(shi)的(de)電(dian)路(lu)板可以用其他帶(dai)有(you)不同鉆(zhan)石(shi)的(de)電(dian)路(lu)板代(dai)替。
微波掃描和(he)脈沖
微(wei)波(bo)輻射由(you)電(dian)路板內的(de)天線發射。 它由(you) quNV 底(di)部的(de)電(dian)子(zi)元件控制。 微(wei)波(bo)可(ke)以改(gai)變幅度、掃頻甚至(zhi)是脈沖的(de)。
亥姆霍茲線圈
三(san)個亥(hai)姆霍茲線圈(quan)圍(wei)繞樣品(pin)堆(dui)。 這三(san)個線圈(quan)產生均勻的磁場作為 NV 中心的偏(pian)置。 所(suo)有(you)三(san)個線圈(quan)也(ye)可以(yi)單獨控(kong)制以(yi)在三(san)個維度上調整場。 出(chu)于安全(quan)原因，線圈(quan)配備有(you)溫度監測傳感器。
模式生成器
quNV 底座中的(de)電(dian)子設備還包括一個圖案發(fa)(fa)生器。 該(gai)圖案發(fa)(fa)生器可(ke)以(yi)控(kong)制和(he)脈(mo)沖激(ji)(ji)(ji)光(guang)、微波和(he)用(yong)于(yu)熒光(guang)讀出的(de)光(guang)電(dian)二極管。 可(ke)以(yi)將不同的(de)脈(mo)沖模式應(ying)用(yong)于(yu)所有三個組件，其間具(ju)有所需的(de)時間間隔。 連續激(ji)(ji)(ji)光(guang)可(ke)以(yi)脈(mo)沖用(yong)于(yu)激(ji)(ji)(ji)發(fa)(fa)和(he)讀出，微波用(yong)于(yu)發(fa)(fa)射 π 和(he) π/2 脈(mo)沖，光(guang)電(dian)二極管門控(kong)。
光電二極管
來自激(ji)發(fa)的(de) NV 中心的(de)熒光(guang)(guang)(guang)也被顯微(wei)鏡(jing)(jing)物鏡(jing)(jing)收集，并(bing)通(tong)過(guo)(guo)相同的(de)光(guang)(guang)(guang)路(lu)返回儀器頂部的(de)單(dan)元。 在(zai)那里(li)，紅色(se)(se)熒光(guang)(guang)(guang)通(tong)過(guo)(guo)雙色(se)(se)鏡(jing)(jing)與綠色(se)(se)激(ji)發(fa)激(ji)光(guang)(guang)(guang)分離(li)。 在(zai)兩(liang)個(ge)反(fan)射鏡(jing)(jing)進行(xing)正確對齊后(hou)，熒光(guang)(guang)(guang)被帶通(tong)過(guo)(guo)濾以僅測量紅色(se)(se)熒光(guang)(guang)(guang)，而(er)不(bu)是激(ji)發(fa)激(ji)光(guang)(guang)(guang)或環境(jing)。 zui后(hou)，光(guang)(guang)(guang)聚焦在(zai)快速光(guang)(guang)(guang)電二極管的(de)有源(yuan)區。
測量(liang)
在基本測(ce)量中，設置了(le)亥姆霍茲(zi)線圈(quan)的(de)偏磁場。然后激光(guang)激發鉆石(shi)中的(de) NV 中心，在紅色光(guang)譜中發出熒光(guang)。該光(guang)被光(guang)電二極管檢(jian)測(ce)到。現在掃描(miao)微(wei)波(bo)頻率(lv)。繪制該頻率(lv)與(yu)熒光(guang)強度(du)的(de)關系(xi)圖顯示(shi)了(le) NV 中心的(de)共振頻率(lv)。
通過顯微(wei)鏡物鏡通過光電二極管對 NV 中心進行熒光測量。
用于激光(guang)、微波和(he)(he)光(guang)電二(er)極(ji)管(guan)讀出(chu)的(de)脈沖(chong)和(he)(he)定時的(de)圖案發生器。
三、quNV 量子(zi)金剛石磁力(li)計(ji)應用
NV 中心的動態特性允許自旋(xuan)初始化和狀態讀出(chu)等(deng)(deng)應(ying)用。因(yin)此，該中心適用于(yu)磁(ci)場傳感(gan)、自旋(xuan)弛(chi)豫時間(jian)測(ce)量和光學檢(jian)測(ce)磁(ci)共振 (ODMR) 等(deng)(deng)量子(zi)傳感(gan)應(ying)用。
由于它們(men)的可擴展性、長相干時間和與光(guang)子(zi)相互作(zuo)用的能(neng)力，NV 中心對(dui)量子(zi)信息處理的研究具有很高的興趣。量子(zi)比特可以定義為(wei)單電子(zi)或核自(zi)旋(xuan)的自(zi)旋(xuan)態。
通(tong)過顯微鏡(jing)物鏡(jing)對 NV 中(zhong)心進(jin)行激光激發。
可進行的實驗：
以下是您可以使用quNV進行(xing)的實驗(yan)列表：
NV中心(xin)熒光(guang)
光學檢測(ce)磁共振 (ODMR) 顯微鏡(jing)
塞曼效應
晶格(ge)中 NV 中心的方向(xiang)
磁場感應
自旋初(chu)始化和(he)讀(du)出（T1 時間）
拉比振(zhen)蕩
脈沖序列(lie)開發
相干(gan)時(shi)間 T2
拉姆齊(qi)序列
動態解耦，Hahn Echo
quNV的可能應用包括：
學生實驗室課程實驗
講座中的演示實驗
學生研究中心的項目套件
四(si)、quNV 量(liang)子金(jin)剛石磁力計變體(ti)和升級
NV 量子傳感套(tao)件的(de)核心單元可(ke)以進一步補充和升(sheng)級，以使(shi)用單個 NV 中(zhong)心進行實驗或將設置用作全(quan)量子顯(xian)微鏡。
顯(xian)微鏡變體
此變體將讓您更深入地了解 NV 中心顯微鏡在(zai)不同樣品(pin)(pin)（例(li)如地質或生(sheng)物樣品(pin)(pin)）的磁性分析(xi)中的應用(yong)。
摻(chan)雜鉆石
在(zai)(zai)顯(xian)微鏡變體的核心，有一個(ge)化學純 CVD 鉆(zhan)石，其 NV 中心在(zai)(zai)鉆(zhan)石表面(mian)下(xia)方均勻分布，以便zui 好地將(jiang)它們(men)與(yu)
樣品的磁性耦合。
目標
具有所(suo)需幅度和匹配光學設置(zhi)的物鏡將完成磁場顯微鏡圖像的排列。
相(xiang)機
代替光(guang)電二極管或單光(guang)子變體(ti)的(de) APD，可以使用相機(ji)同(tong)時(shi)獲得鉆石和樣品的(de)寬視場(chang)。然后可以顯示如(ru)何在該視場(chang)上執行 ODMR 測量，以同(tong)時(shi)確(que)定每(mei)個點的(de)磁(ci)場(chang)。
傳感套件
嘗試不(bu)同(tong)摻雜(za)鉆(zhan)石的效果，并使用它們對(dui)不(bu)同(tong)樣品進行顯微測量。
摻雜鉆石
在不同深(shen)度(du)層中(zhong)(zhong)摻雜的(de)(de)鉆石的(de)(de)選擇，并且 NV 中(zhong)(zhong)心的(de)(de)不同濃度(du)指向(xiang)不同的(de)(de)方向(xiang)。
樣品
不同的切割和拋光巖石樣品顯(xian)示出地質領(ling)域有趣的磁(ci)性。
單光子變體
使用(yong)此變體，您將(jiang)獲得在特(te)別(bie)準備的(de)鉆石中定位(wei)和(he)操(cao)作(zuo)單個 NV 中心的(de)能(neng)力。
高數值孔(kong)徑共聚焦(jiao)顯微鏡
高(gao) NA 物鏡和以下(xia)共焦顯(xian)微鏡設置(zhi)可以將(jiang)高(gao)百分比(bi)的(de)發射(she)熒光(guang)光(guang)子耦合到通向檢測(ce)器的(de)光(guang)纖(xian)中。
鉆石樣品(pin)
具有超低 NV 中心濃度的特制(zhi)化學(xue)純 CVD 金剛石(shi)是(shi)該變體的核心，以確保焦點中的單(dan)個和孤立的 NV 中心。
壓電(dian)平臺
高精度壓電平臺允(yun)許對(dui)觀察區域進行精確控制和(he)掃描，以(yi)便發現缺陷并保持(chi)專注。
單(dan)光子探測器
具有清晰時(shi)間分辨(bian)率的基于光纖的高(gao)效雪崩光電二極管完善(shan)了(le)系統。LGBT升級
LGBT升級(ji)
測(ce)量 g (2)函數以證明發射的光子不(bu)能被分裂，并且(qie) NV 中心是真正的單光子源。
光(guang)纖分束(shu)器
單個光(guang)子被引導到分束器以(yi)嘗試將它們(men)分開。
附(fu)加單光子探測器(qi)
使用額外的(de)單光(guang)子探測(ce)器，可(ke)以測(ce)量發射(she)光(guang)子的(de)光(guang)子統計(ji)數據(ju)。
皮秒定(ding)時(shi)分辨率(lv)
借助從我們(men)的(de) quTAG 時(shi)間標記(ji)器系列中借用的(de)技術，可以將 APD 信號分(fen)析到(dao)皮秒時(shi)域(yu)，以顯(xian)示(shi)高分(fen)辨(bian)率(lv) g 摻雜鉆石
在顯微(wei)鏡變(bian)體的核心(xin)，有一個化學純 CVD 鉆石(shi)，其 NV 中心(xin)在鉆石(shi)表(biao)面下方均勻分布，以便(bian)zui 好地將它們與
樣品的磁性耦合。
目標(biao)
具(ju)有所需幅度和匹(pi)配光學設置的物(wu)鏡將完成(cheng)磁場顯微鏡圖像的排(pai)列。
相機
代替光電二(er)極管或單光子(zi)變體的(de) APD，可(ke)以使(shi)用(yong)相機同時獲得鉆石和(he)樣品的(de)寬(kuan)視(shi)(shi)場。然后(hou)可(ke)以顯示(shi)如何在該(gai)視(shi)(shi)場上執行 ODMR 測量，以同時確定每個點(dian)的(de)磁場。
傳感(gan)套件
嘗(chang)試不同摻(chan)雜鉆(zhan)石的(de)效果，并使(shi)用(yong)它們(men)對不同樣(yang)品進行顯微測(ce)量(liang)。
摻雜(za)鉆石
在不(bu)(bu)同深度(du)層中摻雜(za)的鉆石的選擇(ze)，并(bing)且 NV 中心的不(bu)(bu)同濃度(du)指向不(bu)(bu)同的方向。
樣(yang)品
不同的(de)切(qie)割和拋光巖石(shi)樣品(pin)顯(xian)示(shi)出地質領域有趣的(de)磁性。
單光(guang)子變體
使(shi)用(yong)此(ci)變體，您(nin)將獲得在特別準備的鉆石中定位和操作單(dan)個 NV 中心的能力(li)。
高(gao)數值孔徑共聚焦(jiao)顯微鏡
高 NA 物鏡和以下共焦顯微鏡設(she)置可以將高百分比的發射熒光光子耦合到通向(xiang)檢測(ce)器的光纖中。
鉆石樣(yang)品
具有超低 NV 中心(xin)濃(nong)度的(de)特制(zhi)化(hua)學純(chun) CVD 金剛(gang)石是該變(bian)體的(de)核(he)心(xin)，以確保焦點中的(de)單個(ge)和孤立的(de) NV 中心(xin)。
壓電平臺
高(gao)精度壓電平臺允許對觀察區域進行精確控制和掃描，以便發現缺陷并(bing)保持專注。
單光(guang)子探測器
具有(you)清晰時間分辨率的基于光纖的高效(xiao)雪崩(beng)光電二(er)極管完善了系統。
LGBT升級(ji)
測量(liang) g (2)函(han)數以證明發射的(de)光(guang)子不(bu)能被(bei)分裂，并且 NV 中(zhong)心是真正的(de)單光(guang)子源。
光纖分束器(qi)
單(dan)個光子被引導到分束(shu)器以(yi)嘗試將它們(men)分開(kai)。
附(fu)加單光子探測器(qi)
使用額外的單光子(zi)探測器，可以測量發射(she)光子(zi)的光子(zi)統計(ji)數據。
皮秒定(ding)時分辨(bian)率
借(jie)(jie)助從我們(men)的(de) quTAG 時間(jian)標記(ji)器系列中借(jie)(jie)用的(de)技術，可以將 APD 信號分析到皮秒時域，以顯示(shi)高分辨率 g (2)下降。
關于昊量(liang)光電：
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