近红外光调制下金刚石NV色心自旋动力学与电荷态转化研究

翟云鹏, 钱 鹏, 胡 钧, 马 钰, 张 恒

(合肥工业大学 物理学院,安徽 合肥 230601)

金刚石氮空位(nitrogen-vacancy,NV)色心因其稳定的光学操控特性和室温下较长的相干时间,近十年成为量子计算[1-2]和量子精密测量[3-4]等领域的研究热点。NV色心具有2种电荷状态[5]:① 含有6个电子呈现电负性(NV—);② 含有5个电子呈现电中性(NV0)。由于对第1种的研究更为透彻,通常情况下所说的NV色心指NV—。NV色心的电荷态布居与转化不仅对基于自旋性质的精密测量精度有较大影响,如磁探测灵敏度等,而且其自身在诸多领域有许多重要应用,如基于自旋-电荷转化原理的自旋态光学读出[6]、利用微纳加工技术的自旋态电子学读出[7]、超分辨显微成像[8]以及长时间信息存储[9]等。虽然利用不同波长的激光对NV色心进行自旋态制备、操控和读出较为成熟,但其电荷态之间相互转化的动力学过程仍有许多值得研究之处。

在针对NV色心电荷态动力学过程的研究中,近红外波段激光具有特殊的作用,引起研究人员的广泛关注。2013年,西班牙的Quidant小组发现1 064 nm激光对NV色心荧光的快速光学调制现象,他们对该现象的解释是NV色心存在一个能级高于激发态的暗态,虽然这一解释在后续实验中被证明具有局限性,但该现象为NV色心电荷态的动力学研究提供了新的方向[10];2014年,Budker小组通过光学谐振腔增强吸收的方式探测NV色心对1 042 nm激光的吸收谱,进一步提升了磁探测灵敏度[11];2018年,以色列BarGill小组利用速率方程模拟近红外激光对NV色心荧光和电荷态的影响,并实验验证了不同光强的1 064 nm激光对NV色心荧光具有增强或抑制作用[12-13];2021年,中国科技大学张琪等人利用1 064 nm激光提高电荷态转化速率,从而实现高保真度的电子自旋single shot读出[14]。

综上所述,近红外光尤其是1 040 nm波长附近的光对NV色心的作用主要在于:① 激发NV—单态跃迁从而被吸收;② 促进电荷态转化和影响荧光辐射强度。由于该波长激光与自旋单态的耦合强度较弱,对第1种的研究一般使用NV系综样品。故本文主要通过NV色心电子自旋态的变化研究近红外光在电荷态调控过程中的具体作用,定量描述其对于电荷态转化速率的影响。使用实验室自主开发的高速时间相关单光子计数器采集NV色心在532 nm激光连续激发下的荧光时间绘制成曲线,并根据色心能级结构建立速率方程对实验数据进行数值模拟,获得实验条件下的能级间跃迁速率系数;然后在532 nm激光基础上同时施加1 040 nm激光进行调制,并利用得到的系数对调制后的荧光时间曲线重新进行数值模拟,得到近红外光作用下的电荷态转化速率。

1 实验装置

用于NV色心操控实验的自建光学共聚焦系统如图1所示。用于自旋操控及读出的532 nm激光经光纤准直器后输出,成为高度平行的空间光,再经由显微物镜(Olympus,数值孔径1.45)聚焦到金刚石样品上;NV色心辐射出的荧光原路返回进入同一物镜,经二向色镜1过滤,再由小孔进行空间滤波,最终穿过滤波片进入单光子探测器(部分元件未画出)。1 040 nm激光因波长远大于激发光和NV—荧光波段,用2个反射镜使其在二向色镜1处与532 nm激光合束,一起进入物镜。

图1 NV色心共聚焦实验系统

实验所需的微波信号由SMIQ03B矢量信号发生器(Rohde & Schwarz)产生,微波信号经由微波放大器放大之后输入课题组自行设计制作的辐射结构,辐射进入金刚石样品。激光和微波控制所需的脉冲信号以及NV色心荧光时间曲线分别由实验室自行设计制作的脉冲发生器和高速时间数字转换器产生和采集得到。实验中使用的金刚石样品为Element Six公司的type Ⅱ-a型金刚石,其抛光面为(100)晶面,尺寸为2.0 mm×2.0 mm×0.5 mm。

2 NV能级结构及速率方程

NV色心一般包含NV—和NV02种电荷状态,其电子自旋能级结构主要包括NV—自旋三重态的基态、激发态、自旋单态以及NV0的基态、激发态,各能级之间跃迁速率是描述NV色心自旋动力学过程的主要参数。可用于数值模拟的能级示意图如图2所示。

图2 能级示意图

NV—自旋三重态分别记为mS=0和mS=±1,后者在零磁场状态下处于简并状态。本文中,通过施加一个较弱的磁场破坏简并,选取mS=-1自旋进行操控,示意图中未画出塞曼劈裂。处于基态的色心在激光激发下跃迁至激发态,并保持自旋不变。处于激发态的电子有2种途径回到基态:① 辐射跃迁到基态,放出荧光;② 有一定概率通过系间交叉(inter-system crossing,ISC)通过自旋单态回到基态。NV0的自旋结构由于尚未认知清楚,处理相对简单,本文只考虑其基态与激发态之间的相互跃迁。研究证明,NV色心电荷态之间的转化是一个双光子过程。首先,处于NV—基态的色心吸收1个光子后被泵浦到激发态,然后再吸收第2个光子使得1个电子被激发到导带,从而实现电离并转化为NV0的基态。反之,处于NV0基态的色心吸收1个光子后被泵浦到激发态,然后通过吸收第2个光子从价带中捕获1个电子实现复合,使得色心转化为NV—的基态。根据实验和数值模拟结果,近红外光在NV色心动力学转化过程中影响最大的是双光子过程的第2个过程,其作用效果比单纯532 nm激光强得多。本文将这一猜测代入模型,从而得到在近红外激光辅助作用下的电离/复合速率。

图2中:Ke—和Ke0分别为NV—和NV0在绿光激发下基态到激发态的跃迁速率(绿色实线);Kf—和Kf0分别为NV—和NV0激发态辐射跃迁回基态的跃迁速率(红色实线);K1s和K0s、Ks1和Ks0分别为激发态mS=1和mS=0到单态、单态到基态mS=1和mS=0的跃迁速率(紫色实线);Ki、Kr分别为NV—和NV0被激发到激发态之后再吸收1个光子被电离和复合到NV0或NV—的速率(蓝色实线),由于这2个过程等效于NV—激发态到NV0基态和NV0激发态到NV—基态,为了更加直观地表示,图2中使用蓝色虚线表示。

根据提出的模型建立的速率方程为:

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

式(1)～(7)分别对应NV—的基态mS=0和mS=1、激发态mS=0和mS=1、自旋单态以及NV0的基态和激发态7个能级布居的微分方程。

3 结果及讨论

NV色心荧光时间曲线动态地记录了NV色心电子自旋激发态布居数随激光激发时长的变化,可以体现当前实验条件下的NV自旋动力学过程[15]。本文分别测量初始化自旋为mS=0和mS=1的荧光时间曲线并进行模拟,结果如图3所示。

图3 NV色心荧光时间曲线和NV-激发态布居数模拟数据

图3中,蓝色和红色圆圈分别表示在功率300 μW、温度295 K条件下,用532 nm激光激发NV色心产生的初始化自旋为mS=0和mS=1的荧光时间曲线,它们在1 000 ns以内的荧光差主要来源于mS=1相较于mS=0有更高的概率以非辐射跃迁的方式通过ISC到达自旋单态。初始化自旋mS=1的荧光逐渐增强直到与mS=0重叠则体现了自旋初始化的过程,这主要是由于自旋单态落回基态mS=0的概率高于落回基态mS=1,经过多次循环之后,NV色心几乎完全布居在mS=0上。

关于NV色心自旋跃迁的研究已经有不少报道,如NV—和NV0从激发态跃迁至基态的速率取决于激发态寿命,与NV色心的选择无关。这一组合在相同实验条件下具有普遍性,不需要重复测量。因此参考文献[12,15-16],数值模拟中的部分跃迁速率见表1所列。

表1 数值模拟中的部分跃迁速率 单位:MHz

根据图3实验数据进行数值模拟,对532 nm激光作用下的激发速率Ke—、Ke0以及电离速率和复合速率KiG、KrG重新标定,得到的跃迁速率见表2所列。

表2 绿光激发下的激发速率和电离、复合速率

根据表2中速率参数,最终模拟结果如图3中蓝色和红色实线所示。从图3可以看出:实验数据与模拟数据基本符合,证明选用和标定的能级跃迁速率基本准确描述了在当前实验条件下NV色心的自旋动力学过程;模拟数据在坐标轴中有40 ns向右的平移,这是为了补偿激发态寿命和声光调制器响应延迟的影响。

在得到532 nm激光激发下的跃迁速率并验证后,本文进一步采集1 040 nm激光调制作用下532 nm激光连续激发色心的荧光时间曲线,结果如图4所示。图4中,上部分曲线表示实验数据,下部分曲线表示模拟数据。

图4 NV色心荧光时间曲线和NV-激发态布居数模拟数据

从图4可以看出,1 040 nm激光在532 nm激光作用后250 ns处打开,持续时间为400 ns。图4a和图4b、图4c和图4d分别为5、40 mW功率1 040 nm激光调制下初始化自旋为mS=0和mS=-1的实验荧光时间曲线及数值模拟结果。实验数据显示:不论是mS=0还是mS=-1的荧光时间曲线,当近红外激光打开后,荧光出现快速下降并在近红外激光关闭后恢复;在不同功率下,近红外激光对荧光时间曲线的调制深度不一样。值得注意的是,在5 mW的近红外激光功率下,不论初始化自旋是mS=0还是mS=-1,恢复后的荧光都高于无近红外激光调制的荧光;而40 mW功率下,这一现象刚好相反。文献[17]研究表明,NV—激发态与导带之间能级差约为0.65 eV,基态与激发态之间的能级差约为1.95 eV,1 040 nm光子的能量大约为1.19 eV,因此可以认为近红外激光单独影响了NV—激发态至导带的跃迁过程;对于NV0,其基态与激发态之间的能级差约为2.16 eV,远大于1 040 nm光子的能量1.19 eV,且实验现象表明近红外激光对电荷态布居的影响很弱,因此本文认为近红外激光同样单独影响了价带至NV0基态的跃迁过程。

本文对这一猜测进行验证,提出近红外激光影响下的电离速率KiIR和复合速率KrIR,则有:

Ki=KiG+KiIR

(8)

Kr=KrG+KrIR

(9)

文献[12-13]研究表明,532 nm激光在激发基态电子到激发态的泵浦速率与激光功率成正比,这也是上文中在描述532 nm激光的泵浦速率Ke—和Ke0时同时给出了跃迁速率与激光功率比值(速率-功率比)的原因。尽管没有文献直接提出电离速率和复合速率(KiG和KrG)同样满足这一关系,本文还是给出了其速率-功率比。5、40 mW功率近红外激光下数值模拟的最终结果分别见表3、表4所列。

表3 5 mW功率近红外激光下电离速率和复合速率

表4 40 mW功率近红外激光下电离速率和复合速率

由图4可知,近红外激光在辅助绿光激发NV色心的过程中主要作用是提高电荷态转化速率Ki和Kr,在40 mW、1 040 nm激光功率下分别提升15.20 MHz和108.00 MHz的电离速率和复合速率,分别约为绿光单独激发下的15倍和30倍,最终得到40 mW功率下速率-功率比分别为2.70 MHz/mW和0.38 MHz/mW;比5 mW功率下2.95 MHz/mW和0.53 MHz/mW的速率-功率比有一定程度的降低。这一现象产生的原因可能来源于2个方面:① 绿光功率一定的条件下,基态至激发态的跃迁速率保持不变,这可能是近红外激光在40 mW条件下对NV的电离/复合作用已经趋于饱和;② NV色心激发态的复杂声子边带在高功率近红外光作用下可能产生其他激发效果,对电离作用有所抑制。近红外激光开关瞬间的荧光变化速率比模拟数据更慢,这主要是由于声光调制器切换激光的开关状态时有一定的响应时间。

考虑到各种实验仪器的响应延迟和测量噪声可能造成一些误差,最终的数值模拟结果与实验数据基本吻合。

4 结 论

本文实验测量了室温下532 nm激光单独连续激发和结合1 040 nm激光共同激发单个NV色心的荧光时间曲线,通过建立七能级模型定量研究了近红外光对NV色心自旋动力学的作用。结果表明,1 040 nm激光对NV色心的影响主要体现在对电荷态转化速率的提高上,40 mW激光功率下电离速率和复合速率分别提升约15倍和30倍,提升的数值分别为15.20 MHz和108.00 MHz,相较于无近红外条件下的1.05 MHz和3.60 MHz有大幅提升。

建立能级模型进行数值模拟的方法可以定量研究不同波长激光激发下的NV色心自旋动力学,后期将继续研究450、637 nm等波长激光对NV色心自旋态的影响。