论文摘要
金刚石中的NV色心作为室温下的固态量子比特和稳定的单光子源,在量子存储、量子信息处理、量子密钥分配、生物荧光标记和超分辨成像方面有着广泛的应用；此外,NV色心可以探测纳米尺度的磁场、电场、力、热以及周围的电子自旋和核自旋。关于NV色心的这些研究和应用,大部分是基于NV色心的荧光探测,因此研究NV色心的荧光机制是一项重要而迫切的任务。NV色心的荧光可以通过改变NV色心的辐射速率和无辐射速率来调制。一方面,NV色心可以和光学腔、表面等离激元等耦合提高NV色心的辐射速率,增加NV色心的荧光强度,并导致荧光寿命缩短。另一方面,NV色心可以和邻近物质发生能量转移。能量转移导致NV色心的非辐射速率增加,NV色心荧光强度减弱,荧光寿命缩短。然而,基于此能量转移机制,可以实现基于NV色心的共振能量转移显微技术。本论文研究了NV色心和光纤锥的耦合,通过光纤锥收集的NV色心的荧光计数比共聚焦收集的提高了一倍。另一方面,研究了NV色心和石墨烯之间的能量转移,讨论了能量转移的机制及其应用。本论文总共包括以下几个方面的工作：1.激光扫描共聚焦显微系统以及金刚石中NV色心的制备为了精确定位金刚石中的NV色心,我们搭建了激光扫描共聚焦显微系统。结合共聚焦系统,我们搭建了微波系统,实现了对NV色心的光探测磁共振谱的测量和量子调控。同时,我们的共聚焦显微系统采用双光路构型,提高了激发光开和关的强度对比度,防止在长时间自旋操纵实验中NV色心的自旋重新极化到ms=0态,为长时间量子态操纵实验提供了有效的实验平台。我们还研究了纳米金刚石和块体金刚石中NV色心的制备。处理后的纳米金刚石的NV色心的含量提高了约七倍；在块体金刚石中实现了NV色心的可控制备。2.NV色心的发光光谱和自旋波谱的研究介绍了NV色心的基本物理结构、能级结构、荧光性质。实验上测量了NV-和NV0色心的零声子线及声子边带。研究了NV-色心在不同波长下的激发谱以及不同激发光下的荧光光谱,并且测量了不同类型金刚石中NV色心的荧光光谱。利用时间关联计数卡测量了二阶关联函数,以此判断金刚石中的NV色心是否为单色心。介绍了NV色心电子自旋以及和其它核自旋的相互作用的自旋能级结构。研究了NV色心的光探测磁共振技术,实验上测量了NV色心在连续微波下的光探测磁共振谱,通过实验手段验证了NV色心的自旋能级结构；并且执行了拉比振荡、自由感应衰减、自旋回波等脉冲微波实验。3.金刚石中单个NV色心和单层石墨烯之间能量转移的研究我们研究了金刚石中的单个NV色心和单层石墨烯之间的能量转移。我们在实验上分别测量了石墨烯基底上和石英基底上几十个单色心的荧光寿命和荧光强度。结果表明,相对于石英基底,石墨烯基底上的单个NV色心的荧光寿命统计上缩短、荧光强度统计上减弱,这从实验上证实了NV色心和石墨烯之间的能量转移的存在。根据Swathi和Sebastian提出直接计算激发态分子和单层石墨烯π电子系统之间的库仑相互作用矩阵元的理论,我们从理论上说明了NV色心和石墨烯能量转移速率和距离的依赖关系为z--4。对于我们实验中所用的纳米金刚石的最可几粒径29nm,数值计算了此粒径下能量转移效率约为40%,和我们实验测量最可几寿命和最可几强度进而计算的能量转移效率的结果接近一致。4.光纤集成的金刚石NV色心单光子源和磁力计我们研究了纳米金刚石和光纤锥的耦合。通过光纤锥收集和共聚焦收集的共聚焦图像对比,发现通过光纤锥收集的荧光计数通常是共聚焦的两倍,有时更高。我们通过光纤锥收集的方式测量了NV色心的关联函数和光探测磁共振谱,为光纤集成的单光子源和磁力计的实现打下了基础。通过光纤锥收集和共聚焦收集的光探测磁共振谱的对比,发现基于光纤锥收集的磁力计的灵敏度有所提高。光纤集成的磁力计具有高收集效率,制备简单,灵敏度高,易集成等无可比拟的优势。
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标签：色心论文; 金刚石论文; 耦合论文; 光探测磁共振论文; 能量转移论文; 石墨烯论文; 光纤锥论文; 磁力计论文;