Рис. П.2. Схема уровней NV-центра
Рис. П.3. Спектр флуоресценции NV-центра при температуре 9 К. Узкий пик является так называемой люминесценцией нулевой фононной линии (англ. zero phonon line). В этом пике содержится около 4 % всей люминесценции
электронов. Когда NV находится во внешнем магнитном поле, оно не влияет ни на состояние mS 0, ни на состояние 1А1 (из-за того, что S = 0),
ноонорасщепляетуровни mS 1. Еслимагнитноеполе сориентировано
вдольосидефекта иеговеличина достигает 1027 гаусс(или 508 гаусс), то уровни mS 1 и mS 0 в основном (или возбужденном) состоянии
имеют одинаковую энергию. При этом они сильно взаимодействуют через так называемую спиновую поляризацию, что очень сильно влияет на интенсивность оптического поглощения и люминесценции этих уровней.
Необходимо иметь в виду, что переходы между электронными состояниями происходят с сохранением полного спина. По этой причине переходы ³E↔1A и 1A ↔ ³A безызлучательные и тушат люминесценцию (рис. П.3). Тогда как переход mS 1 mS 0 запрещен
в отсутствие поля и становится разрешенным, когда магнитное поле
361
перемешивает уровни mS 1 и |
mS 0 основного состояния. |
Результатом является то, что интенсивность люминесценции можно сильно модулировать магнитным полем.
Возбужденное состояние ³E дополнительно расщеплено благодаря орбитальному вырождению и спин-орбитальному взаимодействию. Это расщепление может быть промодулировано внешним статическим как электрическим, так и магнитным полем. Расстояние между уровнями mS 0 и mS 1 приходится на микроволновой диапазон (~2,88 ГГц).
Облучая центр микроволновым полем, можно изменять населенность подуровней основного состояния и тем самым модулировать интенсивность люминесценции. Эта техника называется методом электронного парамагнитного резонанса (ЭПР).
Сила осциллятора перехода (³A ³E)
Сила осциллятора – безразмерная величина, которая равна вероятности квантовых переходов в процессах излучения, фотопоглощения и кулоновского возбуждения атомных, молекулярных или ядерных систем. В случае электронных переходов в атомах электрические дипольные силы осцилляторов составляют десятые доли единицы. Для магнитных дипольных и электрических квадрупольных переходов порядка 10–6–10–8.
Сила осциллятора для электрического дипольного перехода меж-
ду состояниями и со значениями энергии Ei i , Ef |
f |
|
|
|
2m |
f i |
|
ˆ |
|
2 |
, |
|
|
|
|
|
|
|
F |
f i |
|
e2 |
f |
Dz |
i |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ˆ
где m и e – масса и заряд электрона; Dz – оператор проекции диполь-
ного момента.
Переход из основного триплетного состояния A³ в возбужденное триплетное состояние Е³ имеет большую силу осциллятора – 0,12 (для сравнения: D1 линия 87 Rb имеет 0,6956), что позволяет легко детектировать этот переход оптическими методами. Хотя тонкая структура возбужденного состояния сильно зависит от окружения центра, известно, что переход из возбужденного ms = 0 (³E) в основное ms = 0 (³A) состояние сохраняет спин состояния. Тогда как переход из состояния ms = ±1 (³E) в состояние ms = 0 (³A) происходит безызлучательным способом. Этот переход осуществляется в два этапа – через синглетное состояние 1A.
Существует также дополнительное расщепление состояний ms = ±1, являющееся результатом сверхтонкого взаимодействия между ядерным и электронным спинами. В итоге спектр поглощения и люминесценции NV-центра состоит приблизительно из дюжины узких линий, разделенных на несколько мегагерц–гигагерц. Интенсивность и положениеэтихлиниймогутбытьпромодулированыразличнымиспособами.
Изготовление NV-центров
Даже высокочистый природный и синтетический (IIa типа) алмаз содержит небольшую концентрацию NV-центров (высокочистый синтетический алмаз изготавливают с помощью химического осаждения из паровой фазы (CVD)). Если же концентрация центров недостаточна, то образцы облучают и отжигают. Облучение ведут высокоэнергетическими частицами (10–80 кэВ). Это может быть поток электронов, протонов, нейтронов и гамма-частиц. NV-центры создаются на глубине до 60 мкм. Интересно, что N,V0 в основном залегают до глубин в 0,2 мкм. Созданные вакансии при комнатной температуре малоподвижны, однако при повышении температуры (выше 800 С) их подвижность значительно возрастает. Атом азота, внедренный в решетку, захватывает одну из вакансий и создает с другой соседней вакансией NV-центр.
Алмаз известен тем, что его решетка имеет внутренние напряжения, которые расщепляют, смещают и уширяют уровни NV-центра. Для регистрации узких линий (~10 МГц) на переходе ³A ³E нужно выдвигать особые требования к качеству кристалла. Для этого используют высокочистый природный алмаз или синтетически изготовленный (IIa типа). Для исследования центров обычно применяют конфокальный сканирующий микроскоп, имеющий субмикронное разрешение (~250 нм).
Учебное издание
Кирчанов Вячеслав Сергеевич
ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ НАНОТЕХНОЛОГИЙ ФОТОНИКИ И ОПТОИНФОРМАТИКИ
Учебное пособие
2-е издание, исправленное и дополненное
Редактор и корректор Е.Б. Денисова Технический редактор М.Н. Афанасьева
Подписано в печать 17.02.2022. Формат 70×100/16. Усл. печ. л. 29,35. Тираж 25 экз. Заказ № 21/2022.
Издательство Пермского национального исследовательского
политехнического университета.
Адрес: 614990, г. Пермь, Комсомольский проспект, 29, к. 113.
Тел. (342) 219-80-33.
