1770409155
2026-02-06 20:12:00
Ученые все больше внимания уделяют оптически адресуемым спиновым дефектам твердого тела как важнейшим компонентам квантового зондирования и обработки информации. Иван Жигулин, Николас П. Слоан и коллеги из Сиднейского технологического университета вместе с Бенджамином Уайтфилдом, Жаном-Филиппом Татьеном, Мехраном Кианиния и Игорем Аароновичем теперь исследовали динамику возбуждения недавно обнаруженных одиночных спиновых дефектов в гексагональном нитриде бора (hBN). Их исследования показывают, что манипулирование длиной волны возбуждения значительно увеличивает в три раза как контрастность оптического магнитного резонанса (ODMR), так и чувствительность к магнитному полю. Это открытие дает ценную механистическую информацию о поведении спиновых комплексных излучателей в hBN и демонстрирует решающую роль длины волны возбуждения в оптимизации их характеристик для передовых квантовых технологий.
Недавние открытия выявили одиночные спиновые дефекты в hBN, демонстрирующие спиновые переходы S = 1 и S = 1/2, что представляет собой новую платформу для квантовых технологий.
В этой работе подробно описана динамика возбуждения этих уникальных спиновых дефектов, в частности исследуется, как изменение длины волны возбуждения влияет на их спин-зависимую флуоресценцию и общую динамику. Исследователи обнаружили, что точный контроль над длиной волны возбуждения кардинально меняет фотодинамику этих спиновых комплексных излучателей, предлагая ценную механистическую информацию об их поведении.
Основное внимание в исследовании уделяется спиновым комплексам внутри hBN, которые обладают как сильносвязанными (S = 1), так и слабосвязанными (S = {1,0}) спиновыми многообразиями. Эти комплексы имеют энергетические уровни, включая оптически активные основные и возбужденные состояния, а также триплетные состояния в метастабильном режиме. Переходы между этими состояниями под воздействием микроволновых частот модулируют флуоресценцию и создают обнаруживаемые сигналы ODMR.
Предыдущие наблюдения показали отсутствие сигнала ODMR в нулевом поле, что указывает на каскадное прохождение через слабосвязанное многообразие перед релаксацией в основное состояние. Спектры ОДМР непрерывной волны выявили переходы, соответствующие обоим спиновым многообразиям, включая запрещенный двухквантовый переход на частоте 2,9 ГГц, демонстрирующий удивительно сильный сигнал.
Систематически изменяя длину волны возбуждения, исследовательская группа продемонстрировала значительное увеличение контрастности ODMR, приближающееся почти к 100 процентам. Это улучшение напрямую приводит к повышению чувствительности к магнитному полю, что имеет решающее значение для приложений квантового зондирования. Кроме того, длина волны возбуждения глубоко влияет на стабильность фотолюминесценции, излучаемой спиновым комплексом, что указывает на сильную связь между поглощением света и спиновой динамикой.
Эти результаты подчеркивают исключительную важность оптимизации длины волны возбуждения для максимизации эффективности спиновых дефектов hBN в новых квантовых технологиях и сенсорных приложениях. Работа обеспечивает более глубокое понимание этих спиновых сложных излучателей, открывая путь к улучшению конструкции и реализации в будущих квантовых устройствах.
Характеристика совозбуждения спиновых дефектов hBN с помощью конфокальной фотолюминесцентной микроскопии
Конфокальная конфигурация микроскопа послужила основой для изучения динамики возбуждения в спиновых дефектах гексагонального нитрида бора (hBN). Исследователи использовали установку, позволяющую одновременно возбуждать волны длиной 532 и 633 нм, чтобы изучить влияние на спин-зависимую флуоресценцию и динамику. Оптические сигналы доставлялись по одномодовому оптическому волокну 1×2, направляя обе длины волн через дихроичное зеркало в объектив с высокой числовой апертурой.
Собранную фотолюминесценцию (ФЛ) затем направляли на анализ. Чтобы охарактеризовать фотодинамику, следы отсчета ФЛ записывались при фиксированной мощности возбуждения 633 нм, равной 80 мкВт, при систематическом изменении мощности 532 нм от 0 до 150 мкВт. Извлеченные гистограммы подсчета, построенные в логарифмическом масштабе для улучшения видимости, показали подавление мигания при увеличении мощности 532 нм.
Общая интенсивность ФЛ также была извлечена как функция мощности 532 нм, что соответствовало модели насыщения мощности в форме I(P) = I₀ + I∞P/(P + Pₛ), где I₀ представляет собой постоянный вклад ФЛ от возбуждения 633 нм, I∞ обозначает количество люминесценции при насыщении, а Pₛ представляет собой мощность насыщения 8,33 мкВт. Исследователи определили пороговое значение, полученное из минимальной точки перекрытия двух различных распределений отсчетов, наблюдаемых только при возбуждении с длиной волны 633 нм, для разделения «темных» и «ярких» состояний излучения.
Этот порог, масштабированный как коэффициент интенсивности отсчетов, позволил последовательно извлекать отсчеты в темном состоянии при различных мощностях совместного возбуждения. При единственном возбуждении на длине волны 633 нм примерно 11% отсчетов находились в темном состоянии, а при добавлении только 2 мкВт возбуждения на длине волны 532 нм эта цифра снижается примерно до 4%. Кроме того, были проведены измерения контрастности ODMR, продемонстрировавшие снижение примерно на 30% для переходов -1/2 ↔ +1/2 и 0 ↔ +1 с увеличением мощности 532 нм, что выявило компромисс между стабилизированным излучением и контрастом ODMR.
Оптимизация длины волны возбуждения спинового контраста и чувствительности в гексагональном нитриде бора
Оптические измерения показывают трехкратное увеличение как оптического контраста магнитного резонанса (ODMR), так и чувствительности к магнитному полю за счет манипулирования длиной волны возбуждения. В частности, контраст ОДМР для перехода -1/2 ↔ +1/2 увеличился с 36% до 98% при переключении возбуждения с 532 нм на 633 нм.
Эти результаты связаны с исследованием динамики возбуждения одиночных спиновых дефектов, обладающих комбинированными спиновыми переходами S = 1 и S = 1/2 в гексагональном нитриде бора. Исследование детализирует влияние длины волны возбуждения на спин-зависимую флуоресценцию и спиновую динамику этих дефектов.
Эмиттер со спиновым комплексом демонстрирует два различных спиновых многообразия: локализованную, сильно связанную спиновую пару и делокализованную, слабо связанную спиновую пару. Энергетические уровни включают оптически активные основные и возбужденные состояния с S = 0, а также триплетные состояния в метастабильном режиме. Переходы внутри сильно связанного многообразия, а именно резонансы -1 ↔ 0, 0 ↔ +1 и -1 ↔ +1, наблюдались примерно на частотах 0,7, 2,1 и 2,9 ГГц соответственно при приложенном неплоском магнитном поле ~ 50 мТл.
Пик на частоте ~1,1 ГГц соответствует второй гармонике перехода 0 ↔ +1. Для обнаружения излучателей использовалась конфокальная микроскопия, и спектры ФЛ при возбуждении 532 и 633 нм не показали заметных различий. Измерения автокорреляции продемонстрировали сопоставимое поведение против группировки (g (2) (0). Однако спин-зависимая флуоресценция продемонстрировала сильную зависимость от длины волны возбуждения: переход -1/2 ↔ +1/2 демонстрирует существенное увеличение контраста ODMR. Переход -1 ↔ +1 на частоте 2,9 ГГц, двухквантовый переход, дает сильный сигнал ODMR, несмотря на то, что он запрещен стандартными правилами выбора спина.
Манипулирование длиной волны оптимизирует характеристики спиновых дефектов в гексагональном нитриде бора
Исследователи продемонстрировали трехкратное увеличение как оптически обнаруженного магнитного резонанса (ODMR) контраста, так и чувствительности к магнитному полю за счет манипулирования длиной волны возбуждения спиновых дефектов в гексагональном нитриде бора. Детальные исследования спина и фотодинамики этих спиновых комплексов показывают сильную корреляцию между длиной волны возбуждения и населенностью различных возбужденных состояний с различной силой связи с метастабильными состояниями.
Это понимание позволило разработать схему совместного возбуждения, использующую длины волн 532 и 633 нм, для стабилизации фотолюминесценции эмиттера и оптимизации производительности. Исследование установило, что длина волны возбуждения 633 нм особенно эффективна для содействия межсистемному переходу в эти метастабильные состояния, тем самым улучшая контрастность и чувствительность ODMR.
Измерения ОДМР со спектральным разрешением, выполненные при криогенных температурах, дополнительно прояснили спин-зависимую фотолюминесценцию спинового комплекса. Эти результаты важны, поскольку они подчеркивают критическую роль длины волны возбуждения в управлении поведением этих излучателей, предлагая новые стратегии оптимизации их использования в квантовом зондировании и фотонных приложениях.
Ограничения, признанные исследователями, включают сложность полного картирования ландшафта возбужденных состояний и необходимость дальнейшего изучения точной природы оптически неактивных состояний. Будущая работа может быть сосредоточена на совершенствовании схемы совместного возбуждения и изучении других комбинаций длин волн для дальнейшего улучшения характеристик излучателя и реализации квантового зондирования с нанометровым разрешением, что потенциально превосходит ограничения стандартной конфокальной микроскопии.
#Дефекты #нитрида #бора #увеличены #для #квантового #зондирования #за #счет #трехкратного #усиления #сигнала
Продолжение темы
