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，報導了他們基于金剛石色心的新型傳感器的部分實驗研究結果。

金剛石色心的應用很廣，從通信、密碼學到傳感都能涉及到[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，因此適合于不同的應用。為了進一步調控色心的熒光特性，人們將其嵌入到光子納米結構中[2,3]。

相對于塊狀金剛石中的色心，嵌入納米結構中的色心由于外部光學環境的改變，通常會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）體系上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，搭配脈沖選擇器和VARIA濾波器，脈沖選擇器重復頻率為8 MHz，濾波器設置到530-534 nm的激發波段。（b），（c）表示的是與（a）中光致發光圖對應的NV體系和WSe2薄片的熒光壽命圖。實驗中，始終能觀察到WSe2薄片下面NV色心熒光壽命的減少，與此相對的是，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，并配備了脈沖選擇器和VARIA濾波器系統。該配置是用作時間分辨，如熒光壽命成像（FLIM）的理想選擇。

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

熒光壽命圖揭示了NV色心與WSe2之間的相互作用

近，我們為納米單晶金剛石NV色心研發了一種新型的傳感方法。

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

當FRET為NV色心的激發態開辟出一條額外的衰減通道時，NV色心與WSe2的相互作用表現為其激發態壽命變化。當單層WSe2薄片被轉移到金剛石表面，并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

基于熒光壽命圖，我們研究了NV色心與單層WSe2薄片之間的相互作用。正是在NKT Photonics激光系統的有效輔助下，特別是其穩定的脈沖強度、寬的光譜范圍、簡易可選的重復頻率以及對無效脈沖的高抑制性等優勢，終實現了必要的測量，并完成了該項新應用的研究。

SuperK EXTREME的脈沖選擇器可確保激光脈沖與探測器的同步，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色心有望成為多功能傳感器。

研究小組介紹

由Jun. 教授和Elke Neu-Ruffing博士領導的研究小組，致力于研究基于金剛石色心的新型傳感器。金剛石中的雜質，即所謂的色心，可以看作是人造原子。它們與原子一樣小，可以用作高靈敏度的傳感器，例如磁場探測。為了建立分辨率接近納米量級的高空間分辨率圖像，我們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生命科學的通用成像工具。

Jun.-Prof. Dr. Elke Neu-Ruffing

Technische Universit?t Kaiserslautern

Phone: +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).

相關應用

金剛石NV色心

氮空位色心(NV色心)屬于金剛石中的點缺陷之一，其為人們熟知和利用的特性是光致發光。單個的NV色心，特別是處于負電荷狀態(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值。