15-10-2023
NV-центр (англ. nitrogen-vacancy center) или азото-замещённая вакансия в алмазе — это один из многочисленных точечных дефектов алмаза. Дефект представляет собой нарушение строения кристаллической решётки алмаза, возникающий при удалении атома углерода из узла решётки и связывания, образовавшейся вакансии, с атомом азота.
Уникальность дефекта заключается в том, что его свойства практически аналогичны свойствам атома, «замороженного» в кристаллической решётке алмаза. Электронные спины индивидуального центра легко манипулируются светом, магнитным, электрическим и микроволновыми полями, что позволяет записывать квантовую информацию на спине ядра центра. Такая манипуляция возможна даже при комнатной температуре. Центр имеет продолжительное, достигающее нескольких миллисекунд, время хранения наведённой спиновой поляризации. В настоящее время N-V центр может рассматриваться как базовый элемент будущего квантового процессора, необходимого для создания компьютера, линий связи с квантовым протоколом безопасности и других применений спинтроники [1][2]
Содержание |
NV центр является дефектом кристаллической решётки алмаза. Дефект включает в себя вакансию решётки со связанным с ней атомом азота. Размер решётки составляет 3,5 ангстрема. Ось симметрии проходит по линии, соединяющей вакансию и атом азота, и проходит по линии [111].
Из спектроскопических исследований известно, что этот дефект может иметь отрицательный (N-V−) или нейтральный (N-V0) заряд. В исследованиях использовались различные методы: оптическое поглощение [3] [4] фотолюминесценция (ФЛ), [5], электронный парамагнитный резонанс (ЭПР) [6] [7] и оптически детектируемый магнитный резонанс (ОДМР),[8], который можно считать гибридом ФЛ и ЭПР. Наиболее подробную картину взимодействия дает ЭПР. Атом азота имеет пять валентных электронов. Три из них ковалентно связаны с близлежащими атомами углерода, а два — с вакансией. Дополнительный электрон центр захватывает со «стороны» (видимо, от другого атома азота). Иногда центр теряет этот электрон превращаясь в нейтральный. [9]
У негативно заряженного центра N-V− электрон находится рядом с вакансией, образуя спиновую пару S=1 с одним из валентных электронов вакансии. Как и в N-V0 электроны вакансии обмениваются ролями сохраняя полную тригональную симметрию. Состояние N-V− обычно называют NV центром. Электрон находится большую часть времени (90 %) вблизи вакансии NV-центра. [10]
NV центры как правило случайно разбросаны в теле алмаза. Однако ионная имплантация позволяет создавать центры в определенно заданном месте[11].
Энергетическая структура N-V− центров изучалась теоретически и экспериментально. В экспериментах, в основном, применялся комбинированный способ возбуждения — метод электронного параметрического резонанса и лазерное излучение.
Спиновый гамильтониан центра, у которого в вакансии находится изотоп азота , имеет вид [13]
где D и A — тензоры тонкого и сверхтонкого расщепления , Q — тензор квадрупольного ядерного расщепления и — электронный и ядерный факторы и магнетоны Бора.
| D, MHz | A, MHz | Q, MHz | |
|---|---|---|---|
| 2870 | -2.166 | 4.945 | |
| 1420 | 40 |
Схема уровней представлена на рис. Для того чтобы определить собственные состояния центра, его рассматривают как молекулу, а в расчетах применяют метод линейной комбинации атомных орбиталей. Также используется теория груп, учитывающая как симметрию алмазной кристаллической структуры, так и симметрию самого NV. Энергетические уровни помечены в соответствии с симметрией группы , i.e. and [14]. Числа 3 в ³A и 1 в 1A представляют число разрешенных ms спиновых состояний, или спиновую мультиплексность, лежащую от −S до S при полном числе 2S+1 возможных состояний. Если S = 1, ms может принимать значения −1, 0, or 1. Уровень 1A предсказан теорией и играет важную роль в подавлении фотолюминесценции, но прямого экспериментального наблюдения этого состояние пока не было.
В отсутствие внешнего магнитного поля основное и возбужденное состояния расщеплены магнитным взаимодействием между двумя неспаренными электронами N-V− центра: при параллельных спинах электронов (ms=±1) их энергия больше, чем в случае с анти-параллельными спинами (ms=0).
Чем дальше отделены электроны, тем слабее взимодействие D (приблизительно D ~ 1/r³) [6] Иными словами, меньшее расщепление возбужденного состояния означает большую удаленность друг от друга электронов. Когда N-V− находится во внешнем магнитном поле, то оно не влияет ни на ms=0 состояния ни на 1A состояние (из-за того, что S = 0), но оно расщепляет ms = ±1 уровни. Если магнитное поле сориентировано вдоль оси дефекта и его величина достигает 1027 Гаус (или 508 Гаус), то ms = −1 и ms = 0 уровни в основном (или возбужденном) состоянии имеют одинаковую энергию. При этом они сильно взаимодействуют через т. н. спиновую поляризацию, что очень сильно влияет на интенсивность оптического поглощения и люминесценции этих уровней [12].
Для того чтобы это понять необходимо иметь в виду, что переходы между электронными состояниями происходят с сохранением полного спина. По этой причине переходы ³E↔1A and 1A ↔ ³A безизлучательные и тушат люминесценцию. Тогда как переход ms = −1 ↔ m s =0 запрещён в отсутствие поля и становится разрешенным когда магнитное поле перемешивает ms = −1 and ms = 0 уровни основного состояния. Результатом является то, что интенсивность люминесценции можно сильно модулировать магнитным полем.
Возбужденное состояние ³E дополнительно расщеплено благодаря орбитальному вырождению и спин-орбитальному взаимодействию. Это расщепление может быть промодулировано внешним статическим как электрическим, так и магнитным полями[15] [16].
Расстояние между уровнями ms = 0 и ms = ±1 приходится на микроволновый диапазон (~2.88 ГГц). Облучая центр микроволновым полем можно изменять населенность подуровней основного состояния и тем самым модулировать интенсивность люминесценции. Эта техника называет методом электронного парамагнитного резонанса.
Переход из основного триплетого состояния A³ в возбужденное триплетное состояние Е³ имеет большую силу осциллятора — 0,12 (для сравнения D1 линия Rb87имеет 0.6956), что позволяет легко детектировать этот переход оптическими методами. Хотя тонкая структура возбужденного состояния сильно зависит от окружения центра, но известно, что переход из возбужденного ms=0 (³E) в основное ms=0 (³A) состояние сохраняет спин состояния. Тогда как переход из состояний ms=±1 (³E) в ms=0 (³A) происходит безизлучательныи способом. Этот переход осуществляется в два этапа — через синглетное состояние 1A.
Существует также дополнительное расщепление состояний ms = ±1 являющееся результатом сверхтонкого взаимодействия между ядерным и электроным спинами. В итоге, спектр поглощения и люминесценсии N-V− центра состоит приблизительно из дюжины узких линий разделённых на несколько МГц-ГГц. Интенсивность и положение этих линий может быть промодулированы следующими способами:
Микроволновый импульс когерентно возбуждает электронные спины центра, за состоянием электронных спинов следят по флуоресценции оптических переходов. Динамические эффекты весьма важны при создании квантовых компьютеров.
Тонкий оптический спектр NV-центра определяется несколькими факторами:
Изотопы 15N и 12C имеют ядерный спин равный 1/2, 0, соответственно.
Ширина спектра флуоресценции нулевой фононной линии при температурах T < 10 K постоянна и равна 13 МГц. С повышением температуры ширина растет по закону , где , и . Такую зависимость объясняют перемешиванием спиновых состояний в возбужденном состоянии [23]
Даже высокочистый природный и синтетический (IIa типа) алмаз содержит небольшую концентрацию NV-центров. (Высокочистый синтетический алмаз изготавливают с помощью химического осаждения из паровой фазы (англ. Chemical vapor deposition) (CVD)). Если же концентрация центров недостаточна, то образцы облучают и отжигают. Облучение ведут высокоэнергетическими частицами (10-80 кэВ). Это может быть поток электронов, протонов, нейтронов и гамма-частиц. NV−-центры создаются на глубине до 60 мкм. Интересно, что NV0 в основном залегают до 0.2 мкм глубин Созданные вакансии при комнатной температуре малоподвижны, однако, при повышении температуры (выше 800С) их подвижность значительно вырастает. Атом азота, внедрённый в решётку, захватывает одну из вакансий и создает с другой соседней вакансией NV− [24],[25].
Алмаз известен тем, что его решетка имеет внутренние напряжения, которые расщепляют, смещают и уширяют уровни NV-центра. Для регистрации узких линий (~10 MHz)на переходе нужно принимать особые меры к качеству кристалла [15]. Для этого используют высоко-чистый природный алмаз или синтетически изготовленный (IIa типа). Для исследования центров обычно применяют конфокальный сканирующий микроскоп, имеющий субмикронное разрешение (~250 нм).
NV-центр.
