МИКРОЭЛЕКТРОНИКА, 2012, том 41, № 3, с. 163-180
= КВАНТОВАЯ ИНФОРМАТИКА ^
УДК 530.145
NV-ЦЕНТРЫ В АЛМАЗЕ. ЧАСТЬ II: СПЕКТРОСКОПИЯ, ИЗМЕРЕНИЯ,
КВАНТОВЫЕ ОПЕРАЦИИ © 2012 г. А. В. Цуканов
Физико-технологический институт Российской АН E-mail: tsukanov@ftian.ru Поступила в редакцию 23.06.2011 г.
Вторая часть обзора посвящается спектральным и когерентным свойствам NV-центров в алмазе и методам их экспериментального исследования. Подробно рассматриваются недавно разработанные способы инициализации и измерения электронного и ядерного спинов центра и спиновых комплексов на его основе. Обсуждаются способы повышения времен релаксации и дефазировки спина с помощью активных и пассивных методик.
1. ВВЕДЕНИЕ
В первой части обзора [1] мы рассмотрели различные способы производства МУ-центров в алмазе, в частности, технологию изготовления упорядоченных структур, содержащих одиночные центры. Кроме того, в рамках модели сильной связи был рассчитан энергетический спектр МУ-центра и проведена его теоретико-групповая классификация. Как мы увидели, с помощью этой модели оказывается возможным объяснить естественный парамагнетизм основного орбитального состояния МУ-центра. Во второй части нашего обзора мы рассмотрим существующие на сегодняшний день методики управления орбитальными и спиновыми состояниями центров. Особое внимание будет уделено недавним результатам, связанным с инициализацией и измерениями МУ-центров, а также перспективам использования основного и возбужденного орбитальных состояний для когерентных операций с кубитами.
2. СПЕКТРОСКОПИЯ МУ-ЦЕНТРОВ
Мы начнем наше знакомство с общими принципами исследования спектральных свойств МУ-центров с описания экспериментальной установки, показанной на рис. 1а. Она состоит из двух частей, обеспечивающих а) эффективный контроль и б) надежное измерение состояния центров. Первая часть включает в себя оптическую систему (лазер и модифицированный конфокальный микроскоп с иммерсионным объективом) для адресации переходов между орбитальными состояниями 3А и 3Е центра (см. рис. 1б), источник микроволновых импульсов (катушка или волновод) для возбуждения переходов между электронными спиновыми состояниями с ш5 = 0 и ш5 = ±1, а также источник радиочастотного сигнала (антенна)
для возбуждения переходов между сверхтонкими состояниями электрон-ядерной подсистемы. Кроме того, в некоторых модификациях предусматриваются источники постоянного магнитного поля (магнит) и механических напряжений (термически деформируемая металлическая пластинка), а также гибкая система пьезоприводов для ориентации субстрата с центром относительно внешних полей. Вторая часть предназначается для обработки сигналов, поступающих от МУ-центра. Вся необходимая информация о каждой из его подсистем содержится в спектре флюоресценции [2, 3]. В зависимости от цели эксперимента, поток испускаемых центром фотонов может быть направлен либо в объектив микроскопа для визуального наблюдения центра, либо на входной порт спектрометра для снятия частотной зависимости сигнала фотолюминисценции, либо на интерферометры Майкельсона или Брауна-Твисса для исследования квантовых свойств фотонов (когерентности первого и второго порядков). Все эксперименты, рассматриваемые ниже, проводились при комнатной температуре (если обратное не оговорено). Не останавливаясь подробно на классических результатах МУ-спектроскопии, полученных в период с 1997 по 2006 гг., давая здесь только необходимые сведения и отсылая читателя за подробной информацией к обзорам [2] и [3].
Спектральный анализ фотолюминесценции МУ-центра является начальным этапом исследования его свойств. Возбуждающий лазер переводит один электрон из основной конфигурации
а^в2 (3А) в возбужденную а1е3 (3Е), которая через некоторое время распадается преимущественно путем флюоресценции в основное орбитальное состояние. Как было установлено в ходе многочисленных работ, зависимость интенсивности испускаемого центром излучения от длины волны имеет характерные особенности. К ним относятся пик
(a)
Детектор + счетчик
ш-\
650—750 нм Фильтр
532 нм Лазер
\
Источник микроволнового сигнала
Алмаз
4
В0 + ВАС
Зеркало
/
XY
Зеркало
\
Магнит
3E
X = 514 нм
2.88 GHzf3A
(б) Возбужденное
состояние
ms = ± 1
ms = 0
Основное состояние спин
Рис. 1. Принципиальная схема измерительной установки (а) для исследования свойств КУ-центров в алмазе. Зеленый лазер (X = 532 нм) вызывает флюоресценцию центров в красном диапазоне (X = 650—750 нм) длин волн, которая улавливается лавинным фотодетектором и анализируется спектрометром. Управление эволюцией центров осуществляется генератором микроволновых импульсов и постоянным магнитом. Система зеркал разделяет возбуждающий и флюоресцентный пучки фотонов. Схема оптических переходов в КУ-центре (б), обуславливающих возбуждение, флюоресценцию и релаксацию. Толщина линий соответствует скорости процессов. Показан микроволновый переход между спиновыми подуровнями основного орбитального состояния центра.
так называемой бесфононной линии (zero-phonon line, ZPL) на длине X ~ 637 нм и широкий "горб" с длинами волн 650 < X < 800 нм (рис. 2). Осцилля-торная сила электронного перехода 3А ^ 3Е равна
0.12 Дебай; на пик нулевой фононной линии приходится 4% люминисценции. Спектры для обоих типов (КУ0 и КУ-) центров имеют схожую форму [4]. При понижении температуры "горб" сглажи-
о Рч
500 600 700 800
Длина волны (нм)
(б)
Рис. 2. Типичные спектры люминисценции (а), характерные для отрицательной (МУ-) и нейтральной (МУ0) форм МУ-центра. ZPL-пики обозначены звездочкой. Показана структура центра в ГЦК алмаза [4]. Зонная диаграмма и схема опто-фононных переходов (б) между возбужденным и основным состояниями центра. Минимумы qg и qe фононных спектров для разных орбитальных состояний не совпадают. ZPL-переход показан косой стрелкой АС.
вается и практически исчезает при 4 К, а пик ZPL сужается до нескольких МГц.
Для измерения, инициализации и поляризации МУ-центра используется его уникальная особенность — зависимость оптических переходов от состояния электронного спина. Центр испускает яркую красную флюоресценцию, только находясь в основном спиновом состоянии с ш3 = 0. Микро-
(а)
волновый импульс с частотой = 2.88 ± 0.01 ГГц, равной резонансной частоте перехода между электронными спиновыми состояниями МУ-цен-тра 3А(ш$ = 0) и ъА(ш3 = ±1), вызывает перераспределение заселенности этих состояний. В частности, я-импульс полностью переводит заселенность центра из "светлого" состояния 3А(ш5 = 0) в т.н. "темные" состояния 3А(ш5 = ±1). Уменьшение
2.85 2.90
Частота М^сигнала vMw (ГГц)
т (ш)
Рис. 3. Интенсивность ^pL флюоресценции КУ-центра (а) в микроволновом поле частоты Уму; (б) — автокорреляционная функция £(2)(т) одиночного КУ-центра [5].
заселенности "светлого" состояния обуславливает резкий минимум флюоресцентного сигнала при одновременном включении лазера и микроволнового импульса с резонансной частотой (рис. 3а). Варьируя время действия Т или амплитуду ВАС импульса, можно наблюдать осцилляции (нутации) Раби заселенности спиновых состояний, измеряя интенсивность флюоресценции в оптическом диапазоне. Данные осцилляции считаются прообразами однокубитных операций. Описанный метод носит название оптически детектируемого электронного парамагнитного резонанса (ОД ЭПР). Он применяется для изучения спиновой динамики как в основном, так и в возбужденном орбитальных состояниях центра. Спектр также контролируется постоянным магнитным полем В0, которое, будучи ориентированным параллельно оси центра (направление [111] в решетке алмаза), приводит к снятию вырождения состояний с ш3 = ±1. При определенных величинах поля (В0 ~ 1000 Гс для 3А и В0 ~ 500 1с для 3Е) имеет место вырождение состояний тонкой структуры, снимающееся за счет сверхтонкого взаимодействия электронного спина с ядерным спином азота. В этом случае радиочастотные импульсы генерируют переходы между комбинированными спиновыми состояниями электрон-ядерной системы. Ряд работ был посвящен исследованиям зависимости спектров ОД ЭПР от ориентации магнитного поля и поляризации лазерного импульса (см., например, [5]).
Еще одна серия экспериментов связана с изучением когерентных свойств эмиттируемых КУ-центрами фотонов. В частности, исследуя корре-
ляции между двумя последовательно испущенными фотонами, можно определить количество центров и рассчитать время эмиссии фотонов. Пусть в момент времени 1 первым детектором фиксируется приход фотона от исследуемого источника и одновременно включается второй детектор. Вероятность срабатывания второго детектора зависит от количества эмиттеров (эффективных квантовых двухуровневых систем, в нашем случае КУ-центров), входящих в источник, и времени детектирования т. Предположим, что имеется только один эмиттер. Тогда, после испускания первого фотона и релаксации в основное орбитальное состояние, ему потребуется конечное время для возбуждения и последующей эмиссии второго фотона. Это значит, что сразу после прихода первого фотона, т.е. при малых т, вероятность срабатывания второго детектора будет близка к нулю. С другой стороны, в случае большого числа эмиттеров (ансамбль КУ-цен-тров), вследствие некоррелированности процессов поглощения/испускания, фототок второго детектора не будет зависеть от т. Данное явление называется антигруппировкой (апИ-ЪипсЫп§) фотонов, которое количественно описывается автокорреляционной функцией
второго порядка g(2)(т) = (I (?)*/(? + т))/(I(?))2, где 1(1) — суммарный фототок от двух детекторов в момент времени 1 (символ "*" обозначает свертку по 1). Таким образом, измерив 1(1) и построив график g (2) (т), можно оценить количество КУ-цен-тров в исследуемом объеме. Как показывают расчеты, величина g (2) (т « 0) < 1/2 свидетельствует о наличии только одного центра. Время флюорес-
ценции соответствует интервалу, на котором g (т) возрастает от 0 до 1. На рис. 3б приведен пример этой функции. Данная информация очень важна при создании надежных источников фотонов для квантовой связи. Мы подробно рассмотрим этот вопрос в третьей части нашего обзора.
Проведя ука
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.