[发明专利]一种单NV色心中电子和核自旋极化的方法及其实现装置

说明书

本发明涉及一种单NV色心中电子和核自旋极化的方法及其实现装置，本发明提供的极化方法可以同时实现单个NV色心中电子自旋和核自旋的极化，极化率可达95％以上。极化过程无需使用NV系综标定磁场角度，磁场大小与方向通过调节磁体位置改变，角度精度优于0.6度，省去了结构复杂的亥姆霍兹线圈及冷却措施。本发明提供的装置结构设计较为简洁，装置成本较低，而且具有极佳的稳定性，定位于单色心后可以长时间稳定采集荧光信息，可保证1小时内荧光强度波动小于6％，饱和计数率为150k counts/s。

技术领域

本发明涉及一种单NV色心中电子和核自旋极化的方法及其实现装置，属于金刚石氮空位色心中自旋状态操控技术领域。

背景技术

金刚石由碳原子组成，当一个氮原子取代一个碳原子，并且在临近位置有一个空位缺陷时，则形成单个NV色心，如图1所示，图中谷值低于0.5即认为是单个色心。NV色心是金刚石中的一种发光点缺陷，英文nitrogen-vacancy center。使用532nm波长激光照射后，可发出637nm中心波长的荧光。金刚石氮空位色心体系在室温下退相干时间长达毫秒量级，可用激光实现自旋状态初始化，并可根据荧光的强弱读取自旋状态。氮空位色心中的电子自旋、氮14核自旋及周围随机分布的碳13核自旋可做为量子比特，为量子系统的扩展提供了可能性。正因为该体系的诸多优点，氮空位色心体系可用于量子传感、量子存储、量子模拟等多个领域，具有广泛的应用前景。

在量子计算与模拟领域，需要将单个NV色心中的电子自旋和核自旋同时极化到某一状态，制备特定的初始状态，这就需要沿着NV轴向(氮原子与空位连成的直线)施加一定强度的外磁场。磁场角度可用系综色心测量得到，现有测量方案并不适用于单个NV色心；且如果使用线圈施加磁场，结构会很复杂且需要额外的冷却措施。

另外由于需要色心发出的荧光信号辅助外磁场的调节，需要设计高稳定性的荧光收集装置。当前众多荧光收集装置一般适用于多个色心组成的系综体系，该体系大小为微米量级，对荧光收集装置的性能要求较小。而在量子存储、量子模拟方面，实验中一般使用单个色心，这就带来一系列挑战。首先，单个色心大小为原子尺度，当激光聚焦位置偏离色心十几纳米时，荧光信号就会明显减小。其次，由于受到显微镜物镜数值孔径的限制，收集系统的收集效率不高，只能收到色心发出的很小部分的荧光信号。为了减小噪声对实验数据的影响，得到可信的实验数据，需要长时间准确定位色心位置采集荧光信号，长时间采集过程中温度的变化及设备的震动会导致实验数据的不理想。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供了一种单NV色心中电子和核自旋极化的方法及其实现装置。本发明提供的极化方法可以同时实现单个NV色心中电子自旋和核自旋的极化，极化率可达95％以上。极化过程无需使用NV系综标定磁场角度，磁场大小与方向通过调节磁体位置改变，角度精度优于0.6度，省去了结构复杂的亥姆霍兹线圈及冷却措施。

本发明的技术方案为：

一种单NV色心中电子和核自旋极化的方法，极化方法包括：

(1)沿着Z轴方向对物镜进行μm量级粗略对焦，再从X和Y轴方向上对载有金刚石的微波天线进行μm量级粗调，从而使得激光光束大致聚焦在金刚石上；

(2)沿着Z轴方向上对载有金刚石的微波天线进行nm量级的精细调节，使得金刚石受激发出的荧光强度最强，从而确定微波天线在Z轴方向的位置；

(3)通过永磁体对金刚石施加磁场，初步确定永磁体的水平角度θ和垂直角度φ，使得永磁体在金刚石色心位置的磁场方向与NV轴大致平行；以金刚石所在光学平台为基准，当转动轴垂直光学平台时，绕此轴的转动角度为水平角度θ；当转动轴平行光学平台时，绕此轴的转动角度为垂直角度φ；

(4)从X、Y轴两个方向上对金刚石的微波天线进行nm量级的精细调节，使得金刚石受激发出的荧光强度最强，从而确定微波天线在X、Y轴方向的位置，最终使得激光光束准确聚焦在金刚石的NV色心上；