近年來，金剛石NV色心（Nitrogen-vacancy defect centers）在科研界受到越來越多的科學(xué)家的重視。NV色心獨(dú)特且穩(wěn)定的光學(xué)特性使其擁有極其廣泛的應(yīng)用前景。尤其在大力興起的量子信息領(lǐng)域，NV色心可以作為單光子源用于量子計算。而且NV色心作為具有量子敏感度的傳感器，還可應(yīng)用于納米級分辨率的磁場、電場、溫度和壓力的探測。在生物學(xué)領(lǐng)域，NV色心更是很好的生物標(biāo)識物，具有光學(xué)性能穩(wěn)定，細(xì)胞毒性低的優(yōu)點(diǎn)。

    德國attocube systems AG公司針對NV色心應(yīng)用領(lǐng)域開發(fā)了多款低溫納米精度位移器及掃描器，為低溫下的NV色心準(zhǔn)確位移、旋轉(zhuǎn)及掃描提供了很大的便利。以下我們總結(jié)了低溫環(huán)境中(4K)NV色心研究的典型實(shí)驗(yàn)方案。

1. 基于NV 色心的量子網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)和寄存器設(shè)計

    量子網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的實(shí)現(xiàn)是未來量子網(wǎng)絡(luò)乃至量子互聯(lián)網(wǎng)的基本要求。這樣的量子寄存器在不干擾底層量子狀態(tài)的情況下負(fù)責(zé)接收或發(fā)射信息。近期，美國哈瓦德大學(xué)（Cambridge，MA，USA）的Marko Loncar和Mikhail Lukin小組提出了基于金剛石納米腔中硅空位色心的基本量子網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。課題組在稀釋制冷機(jī)中采用德國attocube的極低溫納米位移器ANPxyz101和atocube的低溫復(fù)色差物鏡搭建的極低溫mK共聚焦顯微鏡，對金剛石晶格中的光學(xué)活性點(diǎn)缺陷進(jìn)行了表征。此外，作者還通過將系統(tǒng)耦合到入射光光子以及附近具有100 ms退相干時間的核自旋來演示作為量子寄存器節(jié)點(diǎn)的工作原理。使量子中繼器邁出了堅實(shí)的一步。

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C.T. Nguyen et al, Phys. Rev. B 100, 165428 (2019)

圖一、基于德國attocube公司的極低溫納米精度位移臺和低溫消色差物鏡搭建的共聚焦顯微鏡

圖二、系統(tǒng)原理圖

2. NV 色心在加壓凝聚態(tài)系統(tǒng)中的量子傳感

    壓力引起的影響包括平面內(nèi)部性質(zhì)變化與量子力學(xué)相轉(zhuǎn)變。由于高壓儀器內(nèi)會產(chǎn)生巨大的壓力梯度，例如金剛石腔，致使常用的光譜測量技術(shù)受到限制。為了解決這一難題，巴黎第十一大學(xué)，香港中文大學(xué)和加州伯克利大學(xué)的科研團(tuán)隊共同研發(fā)了一個新奇的納米尺度傳感器，研究者把量子自旋缺陷集成到金剛石壓腔中來探測極端壓力和溫度下的微小信號，空間分辨率不受到衍射極限限制。

    為此，加州伯克利大學(xué)團(tuán)隊使用與光學(xué)平臺高度集成的閉循環(huán)德國attocube公司的attoDRY800低溫恒溫器來進(jìn)行試驗(yàn)，attoDRY800中集成了attocube公司的極低溫納米精度位移臺，以此來實(shí)現(xiàn)快速并且準(zhǔn)確控制金剛石壓強(qiáng)的移動以及測量實(shí)驗(yàn)。

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S. Hsieh et al., Science, Vol. 366, Issue 6471, pp. 1349-1354 (2019) 
M. Lesik, et al., Science, Vol. 366, Issue 6471, pp. 1359-1362 (2019)
K. Yau Yip et al., Science, Vol. 366, Issue 6471, pp. 1355-1359 (2019)

圖一、實(shí)驗(yàn)示意圖及測量結(jié)果

3. NV 色心的自旋與光子的增強(qiáng)耦合研究

    可靠的量子信息系統(tǒng)需要不同的量子系統(tǒng)結(jié)合它們各自的高特性來實(shí)現(xiàn)。光子作為局域量子比特之間的媒介提供了尤為靈活和普遍的可能性。因此，對固體量子比特與光子的有效耦合是量子計算的基本要求。氮空位ZX具有較長的自旋相干時間，其自旋可以通過光學(xué)初始化、操縱和檢測。然而，只有大約3%的光子發(fā)射被躍遷到了零聲子線中。這很大的限制了單光子的區(qū)分效率和自旋與光子的相干相互作用信噪比。德國薩蘭大學(xué)（Saarbrücken, Germany）的Christoph Becher小組設(shè)計和制造了一個可調(diào)諧二維光子晶體腔（圖1A），并報道了一個數(shù)量級的增強(qiáng)發(fā)射率（圖1B）。通過激光誘導(dǎo)，實(shí)現(xiàn)了M0腔模式與NVZX零聲子線共振的調(diào)諧。原位光學(xué)測量可控制實(shí)時的調(diào)諧過程。其制作優(yōu)化和調(diào)諧結(jié)果是光學(xué)自旋讀出結(jié)果是其信噪比的三倍。Christoph教授提出的制造工藝和實(shí)驗(yàn)裝置，可以獲得更高的信噪比。為未來的量子信息提供了更多的可能和客觀的前景，在此測量實(shí)驗(yàn)中使用的德國attocube公司制造的低溫納米位移器ANPxyz101，能夠在極低溫環(huán)境下，實(shí)現(xiàn)5 mm*5 mm*5 mm的行程，而且能夠?qū)崿F(xiàn)200 nm分辨率，1 μm精度的閉環(huán)反饋。

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T. Jung, et al; "Spin Measurements of NV Centers Coupled to a Photonic Crystal Cavity", arXiv:1907.07602 (2019)

圖一、A 實(shí)驗(yàn)制備的可調(diào)諧的二維光子晶體腔體；B 在637.4 nm處M0腔模式和NV-ZPL的相互作用

4. 總體NV色心信號收集實(shí)驗(yàn)

    將磁性樣品覆蓋在表面具有較多NV色心的塊體金剛石襯底上。這個NV色心表面層通常由離子注入或在金剛石表面合成富氮表面層來實(shí)現(xiàn)。通常采用532 nm的激光激發(fā)NV色心到激發(fā)態(tài)，并在630-800 nm波長范圍收集熒光信號。同時利用微波信號激發(fā)和探測NV色心的自旋態(tài)（ESR）。熒光信號由二維的CCD探測陣列收集成像并與樣品相對應(yīng)。與單個NV色心的研究不同，該實(shí)驗(yàn)方案采用大工作距離獲得大視野范圍的成像，從而實(shí)現(xiàn)大面積信號的采集。該實(shí)驗(yàn)方案中對于塊體金剛石襯底及磁性樣品的準(zhǔn)確位移采用的是attocube公司的ANP341系列納米精度位移臺，該位移臺可以在4K低溫強(qiáng)磁場環(huán)境中實(shí)現(xiàn)20 mm超大行程的位移，位移步長小至20 nm@4K，垂直方向的載重達(dá)2 Kg，低溫下采用電阻式傳感器，可以實(shí)現(xiàn)200 nm的分辨率，1 μm的重復(fù)精度。

圖一、 CCD與顯微鏡成像系統(tǒng)

圖二、 低溫強(qiáng)磁環(huán)境兼容納米精度位移臺 ANP341

5. 單個NV色心研究：樣品表面的納米金剛石

    納米金剛石的單個NV色心探測可以通過共聚焦顯微技術(shù)來實(shí)現(xiàn)。該實(shí)驗(yàn)裝置包括attocube的三維低溫納米位移臺，Z方向可以準(zhǔn)確調(diào)整樣品到焦平面，XY可以對樣品表面進(jìn)行掃描。采用532 nm激光激發(fā)，對630 nm-800 nm范圍的熒光信號進(jìn)行采集。采用可調(diào)的微波信號對NV色心的自旋態(tài)進(jìn)行激發(fā)，通過熒光信號的峰值位移來確定其自旋態(tài)。整個實(shí)驗(yàn)在4K低溫恒溫器中進(jìn)行。為了研究感興趣的區(qū)域，通常將金剛石粉末（20-30 nm）均勻的撒在樣品表面，然后使用attocube三維納米位移臺來掃描樣品并且對特定NV色心進(jìn)行測量，并且可以通過單個NV色心觀測較大溫度范圍內(nèi)的樣品性質(zhì)。

圖一、掃描共聚焦顯微鏡示意圖

    Tokura課題組成功的運(yùn)用此技術(shù)研究了FeGe樣品中的磁渦旋結(jié)構(gòu)。

更多細(xì)節(jié)請參考：

Using NV-Center Optically Detected Magnetic Resonance (ODMR) as a Probe for Local Magnetic Dynamics in Transition Metals

6. 掃描探針量子探測器(例如：掃描磁力顯微鏡)

    將一個NV色心固定在掃描探針顯微鏡的探針末端?？梢酝ㄟ^在針尖上“粘貼”納米金剛石，或采用納米壓印與O2刻蝕技術(shù)將塊體金剛石加工成再用N-14注入來實(shí)現(xiàn)NV色心，現(xiàn)在甚至已經(jīng)有商業(yè)化的針尖。采用共聚焦顯微鏡將激發(fā)光聚焦在掃描探針的NV色心上。實(shí)驗(yàn)中樣品的準(zhǔn)確掃描是通過attocube公司的低溫納米精度位移臺進(jìn)行。這樣便可實(shí)現(xiàn)對樣品表面的納米級精度大范圍成像測量。該技術(shù)理論上可以對多種與NV色心熒光相關(guān)的特性進(jìn)行高精度顯微學(xué)測量。

圖一、掃描探針顯微鏡示意圖 

    Jayich課題組 (UCSB)運(yùn)用這一技術(shù)在BaFe2(As0.7P0.3)2 超導(dǎo)材料的轉(zhuǎn)變溫度附近（30K）成功觀測到了旋渦。這一技術(shù)在研究材料低溫下的新奇性質(zhì)方面前景廣闊。

更多細(xì)節(jié)請參考：

Scanned probe imaging of nanoscale magnetism at cryogenic temperatures with a single-spin quantum sensor.

7. 基于NV色心顯微鏡對疇壁跳變的納米級成像與控制

    磁力線中的疇壁可能對未來的自旋電子器件是有用的，因此其納米尺度的表征是邁向?qū)嵱没闹匾徊?。正如法國科學(xué)家Vincent Jaques在《科學(xué)》雜志上所展示的那樣，基于AFM/CFM的NVZX顯微鏡可以對1 nm厚的鐵磁納米線中的疇壁進(jìn)行成像，以及單個疇壁釘扎位置之間的跳躍。同時，研究還表明，由于高的局部激光功率，疇壁可以通過局部加熱誘導(dǎo)跳躍而沿導(dǎo)線移動。對實(shí)驗(yàn)結(jié)果起關(guān)鍵作用的是德國attocube公司的低溫納米位移臺，其能夠?qū)崿F(xiàn)低溫下納米精度的樣品位移、傾角、旋轉(zhuǎn)和掃描等功能。

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Tetienne et al ., Science 344, 1366(2014)

圖一、實(shí)驗(yàn)裝置示意圖