基于金刚石NV色心和微环谐振腔耦合系统的量子纠缠态制备

金刚石NV色心的制备及应用(特邀)
郝鑫;尹思宇;张宗达;丁洁;田振男;白振旭
【期刊名称】《光电技术应用》
【年(卷),期】2022(37)1
【摘要】氮空位(NV)色心是一种具备优良光学性能和自旋特性的金刚石发光缺陷,由于其在超分辨成像技术、量子测量、量子信息等领域的巨大应用前景,近年来吸引了许多科研工作者的关注。

目前,人们已经通过多种方法制备浓度和空间位置可控的高品质NV色心,并推动了其在量子传感和量子信息等领域的应用。

NV色心的电子自旋哈密顿量与多种物理量有关,因此能够通过读取NV色心的电子自旋态实现量子精密测量;此外,NV色心作为一种电子自旋相干时间长、性能稳定的固态自旋量子体系,可以实现安全高效的量子信息处理。

近年来,量子测量的灵敏度随着NV色心制备工艺的进步而快速提升。

介绍了NV色心的结构和基本特性,并对其制备和应用进行了总结和展望。

【总页数】10页(P1-9)
【作者】郝鑫;尹思宇;张宗达;丁洁;田振男;白振旭
【作者单位】河北工业大学先进激光技术研究中心;河北省先进激光技术与装备重点实验室;吉林大学电子科学与工程学院
【正文语种】中文
【中图分类】O436
【相关文献】
1.基于金刚石NV色心的微波近场矢量测量技术研究
2.金刚石NV色心间基于电偶极耦合的快速受控非门
3.金刚石NV色心量子调控领域获多项突破
4.激光与微波功率对金刚石NV色心磁强计ESR谱线的影响研究
5.基于光纤耦合金刚石NV色心系综磁强计的电路诊断方法
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金刚石氮空位色心耦合机械振子和腔场系统中方差压缩研究廖庆洪;叶杨;李红珍;周南润【摘要】研究了金刚石氮空位中心(NV色心)同时耦合腔场和机械振子系统中声子场的方差压缩动力学特性,分析了金刚石NV色心初态和NV色心与机械振子耦合强度对声子场方差压缩影响.结果发现:可以制备压缩时间长、压缩幅度大的声子场压缩态,其物理原因是机械振子具有最大相干性,并且通过调控NV色心初态以及磁场梯度可以实现对机械振子方差压缩非经典特性的操控,从而在理论上提供了一种调控声子场方差压缩的方式.%With the great improvement of nanotechnology, it is now possible to fabricate mechanical resonator with dimension on a micro and even nanometer scale. Because of its high vibration frequency, quality factor, very small mass, and low intrinsic dissipation, nanomechanical resonator has important applications in the field of high-precision displacement detection, force detection, mass measurement, and accurate quantum computation. Mechanical resonator is also a promising candidate for observing quantum effects in macroscopic objects. By coupling nanomechanical resonator to other solid-state system such as optical cavity, microwave cavity, nitrogen-vacancy center (NV center) and superconducting qubits, researchers have successfully cooled the mechanical resonator to its quantum ground state, which paves the way for observing nonclassical states in resonator such as superposition state and Fock state. On the other hand, the nitrogen-vacancy center in diamond has attracted more and more attention because of its advantages of long coherence time at room temperature, the abilityto implement initialization and readout, and microwave control. Moreover, these NV centers can be used to detect weak magnetic field and electric field at room temperature. By using both laser field and microwave field, one can implement the manipulation, storage, and readout of the quantum information. In addition, because NV centers couple to both optical field and microwave field, they can also be used as a quantum interface between optical system and solid-state system. This provides a promising platform to study novel quantum phenomena based on NV centers separated by long distances. The nitrogen-vacancy center in diamond coupled to nanomechanical resonator can be used in precision measurement and quantum information processing, which has become a hot research topic. In this paper, we study the dynamics of quadrature squeezing of the phonon field in the system consisting of nitrogen-vacancy centers in diamond coupled to both cavity field and mechanical resonator. The effects of initial state of nitrogen-vacancy center and the coupling strength between nitrogen-vacancy center and mechanical resonator on the quadrature squeezing of the phonon field are analyzed. It is shown that the phonon field squeezed state with longtime and high-degree can be generated. The physical reason is that the mechanical resonator has the largest coherence. Moreover,the non-classical property of quadrature squeezing of mechanical resonator can be achieved by manipulating the initial state of nitrogen-vacancy center and magnetic field gradient. The proposal may provide a theoretical way to control and manipulate the quadrature squeezing of the phonon field. The resultsobtained here may have great significance and applications in the field of quantum information processing and precision measurement.【期刊名称】《物理学报》【年(卷),期】2018(067)004【总页数】10页(P23-32)【关键词】方差压缩;NV色心;机械振子【作者】廖庆洪;叶杨;李红珍;周南润【作者单位】南昌大学电子信息工程系,南昌 330031;清华大学,低维量子物理国家重点实验室,北京 100084;南昌大学电子信息工程系,南昌 330031;西安交通大学应用物理系,西安 710049;南昌大学电子信息工程系,南昌 330031【正文语种】中文1 引言随着纳米技术的不断进步,机械振子的尺寸已经可以做到微米甚至纳米量级.纳米机械振子有着较高的振动频率和品质因子、极小的质量以及较低的耗散,在高精度位移测量、力测量、质量测量和精确的量子计算等方面有着重要的应用[1−4].此外,机械振子可以用来研究宏观系统的量子特性,比如宏观量子叠加态、量子纠缠态、以及用于量子信息处理等.要让纳米机械振子在如此广泛的应用中都发挥作用,人们希望能更加方便地操控其状态.因此,如何把机械振子与一个两能级系统耦合起来,实现强耦合就很值得研究[5].另一方面,在固态系统中,金刚石氮空位中心(NV色心)在室温下具有毫秒量级的长相干时间,也很容易被微波操控,并被激光高效率地读出其状态,是实现量子计算的优良载体,被认为有望实现室温下的量子计算和高灵敏度量子测量以及在量子信息处理、纳米尺度空间中的磁场与电场、温度的灵敏探测等相关领域具有巨大的应用价值[6].把金刚石氮空位中心与纳米机械振子耦合起来,用于精密测量,量子信息处理等成为了一个热门的研究题目[5].利用梯度磁场诱导的金刚石NV色心与微纳米机械振子运动之间的耦合,实现了百纳米尺度的金刚石质心振动与其中的色心电子自旋之间的强耦合,并且制备了金刚石NV色心的薛定谔猫态和实现双缝物质波干涉[7].文献[8]提出了基于金刚石NV色心与机械振子的耦合,利用动力学解耦技术实现超灵敏质量探测方案.基于Stark效应的高灵敏度电场探测[9],基于NV色心的光检测磁共振谱峰值随着温度的变化而变化,可实现纳米尺度的高灵敏度温度探测[10],NV色心与外部机械振子以及所在的金刚石机械振子耦合分别可以实现髙灵敏度的机械振子运动[11]以及金刚石内部的应力等[12]物理量探测.Li等[13]理论上提出了利用通电的碳纳米管机械振子和单个NV色心自旋耦合的混合型量子器件,实现了NV色心单自旋体系与纳米机械振子强耦合机制及相干操控.文献[14]研究了借助两能级发射器由真空涨落引起的能级移动探索振动石墨烯机械振子位移在量子水平的压缩和测量方案.文献[15,16]研究了超导量子比特耦合NV色心系综系统中的量子态的传输和存储以及存在内相互作用的多体开放量子系统中的纠缠动力学特性.本文研究金刚石NV色心同时耦合腔场和机械振子系统中机械振子的方差压缩,主要讨论金刚石NV色心初态和NV色心与机械振子耦合强度对声子场方差压缩的影响.结果发现:控制和操纵系统参数可以制备压缩时间长、压缩幅度大的声子场压缩态,并且通过调控NV色心初态以及磁场梯度可以实现对机械振子方差压缩非经典特性的操控.2 物理模型及其基本方程本文研究光悬浮的纳米金刚石(内含单个NV色心)系统[7],物理模型如图1所示,纳米金刚石囚禁在谐振势中,囚禁纳米金刚石振动频率为ωm,质量为m,纳米金刚石质心运动哈密顿量可以描述为若外加磁场具有梯度,则导致金刚石NV色心与纳米金刚石质心运动的耦合,耦合哈密顿量为考虑金刚石NV色心和腔场相互作用,其相互作用哈密顿量为同时金刚石NV色心由外加激光场驱动,则系统的哈密顿量为其中,ω为腔场频率,ω0为金刚石NV色心跃迁频率,ωc为经典驱动场频率;g为金刚石NV色心与腔场的耦合系数;λ为NV色心与经典驱动场的耦合系数;G=gsµBGma0/ħ为NV色心与机械振子的耦合系数;Gm为磁场梯度;b+和b 分别为腔场的产生和湮灭算符;|0〉和|1〉构成量子比特,分别对应σz= −1和σz=+1的本征矢[8],令|0〉=|g〉,|1〉=|e〉,则σ+=|e〉〈g|和σ− =|g〉〈e|分别为金刚石NV色心的上升和下降算符.图1 金刚石NV色心耦合腔场和机械振子模型示意图Fig.1.Schematic diagram of nitrogen-vacancy center in diamond coupled to cavity field and mechanical resonator.因为幺正变换不会改变系统的本征值,引入一个幺正变换U1=exp(−iωcσzt/2),将(1)式的哈密顿量变换到旋转坐标表象中,则其中式中Δ =ω0−ωc为金刚石NV色心跃迁频率与NV色心驱动场频率的失谐量.利用文献[18]相同的处理方法,引入缀饰态其中对角化,有其中参数定义金刚石NV色心在缀饰态表象下的反转算符Sz和上升下降算符S±分别为由缀饰态基|+〉,|−〉和|e〉,|g〉之间的关系可得取在旋波近似条件下,有则系统在缀饰态表象下的哈密顿量为引入幺正操作U2=exp(iωcSzt/2),系统哈密顿量(8)式变为再次引入幺正操作系统哈密顿量变为其中本文主要研究NV色心与机械振子、腔场之间的相互作用,则考虑系统哈密顿量的相互作用部分,在相互作用绘景下,令U4=exp(−iH(0)4t),可得系统相互作用绘景下的哈密顿量为其中Δ1= Ω+ωc− ω,Δ2= Ω − ωm.考虑特殊情况Δ1=0,Δ2=0,金刚石NV色心初始处于cosθ1|+〉+sinθ1|−〉,机械振子处于基态|0m〉,腔场处于单光子态|1f〉,则系统初态为在哈密顿量(12)式作用下,系统任意时刻的态矢量为求解薛定谔方程,可得其中金刚石机械振子的振动模式可以处理成声子振动模,研究声子场的压缩,引入正交算符根据方差的定义其中由任意时刻态矢量(14)式,可以得到金刚石机械振子的约化密度矩阵为其中由(19)式计算可求出表达式为所以当声子场处于压缩态时,其中一个正交算符的量子涨落小于1/2,减小了声子场某一部分的量子起伏,使测量的精确度提高,由此压缩态在精密测量、引力波探测、光通信、量子信息处理等方面具有重要应用.为了更好地阐明金刚石机械振子方差压缩的物理机制和原因,给出机械振子的相干性的定义和计算表达式为[19,20]由(19)和(27)式可得机械振子的相干性为利用以上结果讨论金刚石NV色心初态和NV色心与机械振子耦合强度对声子场方差压缩影响.3 结果与讨论图2展示了声子场方差压缩因子ΔX2和相干性随时间的动力学演化特性,图中实线和虚线分别对应声子场方差压缩因子ΔX2和相干性演化规律,其中金刚石NV色心和腔场耦合系数g=1,θ1=π/3,金刚石NV色心和机械振子耦合强度G=0.1,机械振子相干性整体向上平移了0.3数值,由图2可以看出,声子场方差压缩因子ΔX2和相干性随时间的演化呈现振荡行为,t=0初始时刻,声子场方差压缩因子ΔX2为0.5,机械振子相干性为零,不存在压缩,随着金刚石NV色心和机械振子以及腔场的相互作用进行,金刚石NV色心和机械振子以及腔场之间信息和能量不断地交换和转移,声子场方差压缩因子ΔX2小于0.5,声子场出现压缩,此时相干性C大于零呈现相干性,机械振子出现非经典性,当相互作用演化到t≈24时,声子场方差压缩因子ΔX2呈现最大压缩振幅,此时出现最大方差压缩,其物理机制为此时机械振子约化密度矩阵具有最大相干性(由图2中虚线可知),机械振子非经典性越强,方差压缩越大.图2 声子场方差压缩因子ΔX2和相干性随时间的演化(参数g=1,θ1=π/3,G=0.1)Fig.2.The time evolution of the quadrature squeezing of the phonon field ΔX2and coherence.The parameters are g=1,θ1= π/3,G=0.1.图3给出了声子场方差压缩因子ΔX1和ΔX2随时间的演化规律,图3(a)和图3(b)分别对应声子场方差压缩因子ΔX1和ΔX2的演化特性,其中参数g=1,θ1=0,G=0.1.由(15)式可知当θ1=0导致M2(t)=M5(t)=M6(t)=0,从而N1=N2=0,此时由(26)式可以看到声子场方差压缩因子ΔX1和ΔX2随时间具有相同的演化规律.由图3(a)和图3(b)中可以看出,声子场方差压缩因子ΔX1和ΔX2随时间演化取值都大于等于0.5,即声子场在正交算符X1和X2方向上都不存在方差压缩,不存在非经典性,主要原因为此时机械振子约化密度矩阵不存在相干性,机械振子处于混态ρm= ρ00|0〉〈0|+ρ11|1〉〈1|+ ρ22|2〉〈2|,此时机械振子不存在非经典特性,X1和X2方向不存在方差压缩.由于可以通过控制外加经典场实现金刚石NV色心初始态的调控,图4给出了声子场方差压缩因子ΔX2随时间的演化动力学特性,图中实线和虚线分别对应金刚石NV色心不同的初态θ1=π/3和θ1=π/3.5,其他参数与图2相同.由图中实线可知,声子场方差压缩因子ΔX2初始时不存在方差压缩,随着金刚石NV色心和机械振子以及腔场的相互作用进行,声子场方差压缩因子ΔX2小于0.5,声子场出现压缩,由图4中插图可知当相互作用演化到t≈24时,此时出现最大方差压缩,对比图3中实现和虚线可以看到,随着θ1的减小,声子场方差压缩越来越小,压缩时间越来越短,由此结论通过调控金刚石NV色心初态,可以制备压缩时间长,压缩幅度大的声子场压缩态,实现对机械振子方差压缩非经典特性的操控,理论上提供了一种调控声子场方差压缩的方式.图3 声子场方差压缩因子ΔX1和ΔX2随时间的演化(参数g=1,θ1=0,G=0.1)Fig.3.The time evolution of the quadrature squeezing of the phonon field ΔX1and ΔX2.The parameters are g=1,θ1=0,G=0.1.为了探讨金刚石NV色心与机械振子耦合强度对系统声子场方差压缩的影响,图5给出了金刚石NV色心与机械振子耦合强度取不同值时声子场方差压缩因子ΔX2随时间的演化行为,图中实线和虚线分别对应金刚石NV色心与机械振子耦合强度G=0.05和G=0.1,其他参数与图2相同.由图5可以看到,金刚石NV色心与机械振子耦合强度影响声子场方差压缩因子ΔX2的振荡幅度以及压缩大小.对比插图中的实线和虚线可知,金刚石NV色心与机械振子耦合强度越大,正交算符X2上涨落振荡的幅度越大,声子场方差压缩幅度越大,机械振子方差压缩非经典特性越强.由金刚石NV色心与机械振子的耦合系数表达式G=gsµBGma0/ħ可知,实验上可以通过调控磁场梯度Gm实现金刚石NV色心与机械振子耦合强度的控制,从而实现对机械振子方差压缩非经典特性的操控.图4 声子场方差压缩因子ΔX2随时间的演化(实线和虚线分别对应θ1=π/3和θ1=π/3.5,其他参数与图2相同)Fig.4.The time evolution of the quadrature squeezing of the phonon field ΔX2.The solid line and the dashed line correspond to θ1= π/3, θ1= π/3.5,respectively.The other parameters are the same as Fig.2.考虑耗散对系统声子场方差压缩的影响,系统的主方程为κ和γ分别为腔场衰减率和NV色心自发辐射衰减率.通过数值求解主方程,图6给出了系统存在腔场衰减和NV色心的自发辐射对机械振子方差压缩的影响,图中实线、虚线和点虚线分别对应参数κ=γ=0,κ=γ=0.001和κ=γ=0.005.对比插图中的实线和虚线可以看到:考虑系统的腔场衰减和NV色心自发辐射耗散时,由于存在能量耗散过程,声子场方差压缩幅度越来越小,压缩时间越来越短,机械振子方差压缩非经典特性越来越弱;随着耗散强度的继续增大,由插图中的点虚线(对应参数κ=γ=0.005)发现,声子场方差压缩效应消失,耗散破坏了压缩效应.图5 声子场方差压缩因子ΔX2随时间的演化(实线和虚线分别对应G=0.05和G=0.1,其他参数与图2相同)Fig.5.The time evolution of the quadrature squeezing of the phonon field ΔX2.The solid line and the dashed line correspond to G=0.05,G=0.1,respectively.The other parameters are the same as Fig.2.图6 声子场方差压缩因子ΔX2随时间的演化(实线、虚线和点虚线分别对应κ=γ=0,κ=γ=0.001和κ=γ=0.005,其他参数与图2相同)Fig.6.The time evolution of the quadrature squeezing of the phonon field ΔX2.The solid line,dashed line and dotted-dashed line correspond to κ = γ =0,κ=γ=0.001 and κ=γ=0.005,respectively.The other parameters are the same as Fig.2.这里简单地给出该方案在实验上实现的可行性.文献[21,22]利用光镊技术在液体中实现了内含NV色心的纳米金刚石的囚禁,Neukirch等[23]在实验上实现了内含NV色心的纳米金刚石在自由空间中的光学囚禁,文献[24]利用相似的技术实验上也实现了纳米粒子在真空中的囚禁以及质心运动的探测.McCutcheon和Loncar[25]设计和分析了NV色心放在光子晶体微腔中心或腔表面位置均能实现NV色心与腔场的强耦合方案,随后文献[26]实验上实现了单个NV色心与光子晶体谐振腔的确定性耦合.文献[27]研究了两能级发射器与腔场耦合强度是发射器与机械振子耦合强度的20倍时系统中量子关联特性,同时在NV色心下面放置一个磁针,可以产生很强的梯度磁场[28],实现NV色心电子自旋与纳米金刚石振动的耦合,控制磁场梯度可以很方便地实现金刚石NV色心与机械振子的耦合强度大小的操控.因此,本文研究的金刚石NV色心同时耦合腔场和机械振子系统中声子场的方差压缩系统具备实现的可行性.4 结论本文充分利用金刚石NV色心在室温下具有毫秒量级的长相干时间以及容易被微波操控等优势,研究了驱动金刚石NV色心同时耦合腔场和机械振子系统中声子场的方差压缩动力学特性,引入机械振子的相干性阐明了声子场方差压缩的物理机制,讨论了金刚石NV色心初态和NV色心与机械振子耦合强度对声子场方差压缩的影响,结果发现控制和操纵系统参数可以制备压缩时间长、压缩幅度大的声子场压缩态,并且通过调控NV色心初态以及磁场梯度可以实现对机械振子方差压缩非经典特性的操控,从而在理论上提供了一种调控声子场方差压缩的方式.本文的研究结果将在量子信息处理以及精密测量等研究领域具有重要的意义和应用前景.感谢清华大学交叉信息研究院助理研究员尹璋琦博士在本文修改过程中提供的有益讨论和帮助.参考文献[1]Carr D W,Evoy S,Sekaric L,Craighead H G,Parpia J M 1999Appl.Phys.Lett.75 920[2]Blick R H,Roukes M L,Wegscheider W,Bichler M 1998 Phys.B:Condensed Matter 249 784[3]Caves C M,Thorne K S,Drever R W P,Sandberg V D,Zimmermann M 1980 Rev.Mod.Phys.52 341[4]Sekaric L,Parpia J M,Craighead H G,Feygelson T,Houston B H,Butler J E 2002 Appl.Phys.Lett.81 4455[5]Xiang Z L,Ashhab S,You J Q,Nori F 2013 Rev.Mod.Phys.85 623[6]Doherty M W,Manson N B,Delaney P,Jelezko F,Wrachtrup J,Hollenberg LC L 2013 Phys.Rep.528 1[7]Yin Z,Li T,Zhang X,Duan L M 2013 Phys.Rev.A 88 033614[8]Zhao N,Yin Z Q 2014 Phys.Rev.A 90 042118[9]Dolde F,Fedder H,Doherty M W,Nöbauer T,Rempp F,Balas ubramanian G 2011 Nat.Phys.7 459[10]Toyli D M,de las Casas C F,Christle D J,Dobrovitski V V,Awschalom D D 2013 A 110 8417[11]Kolkowitz S,Jayich A C,Unterreithmeier Q P,Bennett S D,Rabl P,Harris J G,Lukin M D 2012 Science 335 1603[12]Ovartchaiyapong P,Lee K W,Myers B A,Jayich A C 2011 mun.5 4429[13]Li P B,Xiang Z L,Rabl P,Nori F 2016 Phys.Rev.Lett.117 015502[14]Muschik C A,Moulieras S,Bachtold A,Koppens F H,Lewenstein M,ChangD E 2014 Phys.Rev.Lett.112 223601[15]Liu B Y,Cui W,Dai H Y,Chen X,Zhang M 2017 Chin.Phys.B 26 090303[16]Liu B Y,Dai H Y,Chen X,Zhang M 2015 Eur.Phys.J.D 69 104[17]Rabl P,Cappellaro P,Dutt M V G,Jiang L,Maze J R,Lukin M D 2009 Phys.Rev.B 79 041302[18]Liu Y X,Sun C P,Nori F 2006 Phys.Rev.A 74 052321[19]Walls D F,Milburn G J,Garrison J C 1994 QuantumOptics(Berlin:Springer-Verlag)pp297–303[20]Yu C S,Song H S 2009 Phys.Rev.A 80 022324[21]Horowitz V R,Alemán B J,Christle D J,Cleland A N,Awschalom D D 2012 A 109 13493[22]Geiselmann M,Juan M L,Renger J,Say J M,Brown L J,de 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表面技术第51卷第3期表面功能化纳米金刚石TiV色心的实验制备与性能研究谭心，徐宏飞，孟可可（内蒙古科技大学 机械工程学院，包头 014010）摘要：目的利用磁控溅射辅助微波等离子体化学气相沉积技术制备钛掺杂纳米金刚石薄膜。

方法预先通过磁控溅射在石英玻璃基底上沉积纳米钛颗粒，然后使用微波等离子体化学气相沉积（MPCVD）设备在其表面沉积金刚石薄膜，通过活性氢原子将钛带入含碳生长基团中，从而将钛掺入纳米金刚石薄膜内。

使用X射线光电子能谱（XPS）、拉曼光谱（Raman）、原子力显微镜（AFM）和共聚焦显微拉曼光谱仪对钛掺杂纳米金刚石薄膜的化学组成、表面形貌和钛色心光致发光性能进行分析。

结果上述实验方法可以将钛掺杂到金刚石薄膜中，进而影响金刚石薄膜的微观结构和表面形貌。

利用XPS对实验中经过MPCVD沉积前后钛元素的键能详细地做了对比分析，预溅射钛的XPS能谱在458 eV和464 eV处出现明显的峰值，符合氧化钛的能谱，而经过MPCVD沉积金刚石薄膜后钛元素的峰值发生了移动，在454 eV和460 eV处，表明钛成键发生了改变；通过Raman检测发现钛的掺入导致G峰的强度增加；AFM表明纳米金刚石薄膜掺钛后表面粗糙度由13.8 nm下降到6.69 nm；通过荧光检测首次观察到了钛掺杂纳米金刚石薄膜在540 nm和760 nm附近的光致发光现象。

结论掺杂钛可细化金刚石晶粒，同时会增加石墨相，并降低其表面粗糙度。

光致发光光谱表明钛掺杂金刚石薄膜中存在TiV0色心。

这为金刚石过渡金属色心的制备提供了研究基础。

关键词：磁控溅射；化学气相沉积；钛掺杂金刚石；色心；光致发光中图分类号：O77+3文献标识码：A 文章编号：1001-3660(2022)03-0192-07DOI：10.16490/ki.issn.1001-3660.2022.03.020Experimental Preparation and Performance Research ofNano-Diamond TiV Color CenterTAN Xin, XU Hong-fei, MENG Ke-ke(School of Mechanical Engineering, Inner Mongolia University of Science and Technology, Baotou 014010, China)ABSTRACT: The work aims to prepare titanium-doped nano-diamond films by magnetron sputtering assisted microwave plasma chemical vapor deposition technology. Nano titanium particles were deposited on the quartz glass substrate by收稿日期：2021-04-16；修订日期：2021-08-09Received：2021-04-16；Revised：2021-08-09基金项目：国家自然科学基金（61765012）；国家重点研究开发项目（2017YFF0207200、2017YFF0207203）；内蒙古自然科学基金（2019MS05008）；内蒙古自治区科技创新指导项目（2017CXYD-2、KCBJ2018031）Fund：National Natural Science Foundation of China (61765012); National Key Research and Development Program of China (2017YFF0207200, 2017YFF0207203); Natural Science Foundation of Inner Mongolia (2019MS05008); Inner Mongolia Autonomous Region Science and Technology Innovation Guidance Project (2017CXYD-2, KCBJ2018031)作者简介：谭心（1974—），女，博士，博士生导师，主要研究方向为纳米金刚石色心单光子源。

(10)申请公布号 (43)申请公布日 2015.02.18C N 104360152A (21)申请号 201410640533.6(22)申请日 2014.11.13G01R 23/02(2006.01)G01R 33/032(2006.01)(71)申请人北京航空航天大学地址100191 北京市海淀区学院路37号(72)发明人房建成 张宁 张晨 徐丽霞袁珩(74)专利代理机构北京科迪生专利代理有限责任公司 11251代理人杨学明顾炜(54)发明名称一种基于NV 色心金刚石的微波传感器(57)摘要本发明公开了一种基于NV 色心金刚石的新型微波传感器，采用内含氮原子-空位(Nitrogen-Vacancy ，NV)色心的金刚石材料作为敏感元件，利用激光实现电子能级激发，并扫描外加静磁场，通过荧光强度检测实现微波频率和强度的测量。

本发明发挥了金刚石中NV 色心电子拉比振荡对外界微波磁场的依赖性，具有较高的理论精度和较好的稳定性，并且具有体积小、成本低、精度高、温度范围大、操作条件简易等优势，是一种基于固体原子自旋的新型微波传感器，可服务于未来各个领域的低成本高精度的微波频率和强度检测需求。

(51)Int.Cl.权利要求书2页 说明书4页 附图1页(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请权利要求书2页 说明书4页 附图1页(10)申请公布号CN 104360152 A1.一种基于NV色心金刚石的微波传感器，其特征在于，包括半导体激光器(2)、雪崩光电二极管(3)、环形器(4)和微波探头(5)，所述微波探头(5)包括内嵌NV色心金刚石(13)敏感部件；半导体激光器(2)、雪崩光电二极管(3)和环形器(4)集成于微波传感器外框(1)内，半导体激光器(2)发出的532nm激光通过激光光纤(9)进入环形器(4)后，经光纤(6)和光纤头(14)到达内嵌NV色心金刚石(13)，从而激发内嵌NV色心电子能级；内嵌NV色心金刚石(13)受激发后由于感受微波磁场，NV色心激发态电子将与微波产生共振并发出600nm-800nm荧光；内嵌NV色心金刚石(13)发出的荧光通过光纤(6)返回环形器(4)，并由荧光光纤(10)到达滤波片(8)滤掉532nm绿色反射激光只让荧光通过，之后荧光到达雪崩光电二极管(3)，通过检测荧光强度的变化实现微波频率和强度的检测；光纤(6)和线圈电源线(7)分别与微波探头(5)连接，线圈电源线(7)通过微波传感器外框(1)与外界电源连接；所述内嵌NV色心金刚石(13)位于微波探头(5)前端，并与光纤头(14)固连；光纤头(14)与光纤(6)连接进行532nm激光和荧光的传输；内嵌NV色心金刚石(13)远离光纤头(14)的端面覆有介质膜(12)用于反射内嵌NV色心金刚石(13)产生的荧光，并通过光纤头(14)收集；在光纤头(14)和内嵌NV色心金刚石(13)外部缠绕细铜线形成静磁场线圈(11)，静磁场线圈(11)的第一接线端(16)和第二接线端(17)连接到线圈电源线(7)用于为静磁场线圈(11)供电产生静磁场，微波探头(5)外框前端开槽形成探测孔(12)以方便微波频率和强度的检测。

基于金刚石镍氮色心的单光子源的研究及其应用【摘要】：在量子物理学创立于发展过程中，单光子源担任十分重要的角色，总是引起研究学者的关注。

一方面，单光子源作为一个非经典光源可以被用来演示量子力学的基本原理，展现量子的奇异性。

另一方面，基于量子力学原理的量子信息技术也需要利用单光子源来实现量子保密通信和量子计算。

特别是在量子保密通信中，密钥的信息被加载在单光子脉冲序列上，在这种情况下的任何测量都会不可避免的改变这个单量子系统的本征态，这保证了窃听者不可能在不被发现的情况下获取密钥信息。

因此，对实用可靠的单光子源的研制已经成为当前量子物理学的最前沿研究内容之一。

迄今为止，人们已经发展了许多种单光子源，例如被囚禁的单原子和单离子、单分子、单量子点、以及金刚石中的单色心等，然而这些单光子源或者需要复杂的仪器设备，或者在室温下难以稳定工作。

虽然金刚石中的氮-空穴(N-V)色心在室温下表现出超凡的稳定性，但是N-V色心室温下的发射光谱有100nm的带宽，覆盖了可见光的很大部分，因此在空间量子保密通信系统中难以去除日光背景噪声对实验的不利影响。

本论文研制了一种新的单光子源，它的工作机理是基于金刚石中单个镍-氮色心(NE8)的光致发光。

与N-V色心相比，NE8色心的发光特性有诸多优点。

首先，NE8色心的发射波长在790nm附近，发射带宽仅有2nm，有利于在量子保密通讯系统中使用窄带滤光片来去除噪声。

而且，NE8色心的荧光寿命仅为2ns，可以支持高速率的单光子产生。

同时，由NE8色心发射单光子具有线偏振特性，这有利于量子保密通信中对单光子偏振态直接进行编码。

与此同时，室温下的NE8色心的稳定发光确保了这种单光子源在实际应用中的可靠性。

最后，NE8色心可以采用化学雾相沉积(CVD)的方法以可控的手段生长在纳米金刚石晶体中，为进一步提高这种基于金刚石的单光子源的性能提供了可能。

使用CVD方法生长的纳米金刚石晶体，因为克服了由金刚石材料折射率大而引起的全反射而导致的光子收集效率低的问题，所以纳米金刚石晶体可以显著提高单光子的收集效率。

专利名称：一种基于金刚石NV色心的量子调控系统
专利类型：发明专利
发明人：李中豪,刘俊,唐军,张浩,张扬,冯园耀,郭浩,温焕飞,马宗敏,曹慧亮
申请号：CN202011585148.8
申请日：20201229
公开号：CN112666145A
公开日：
20210416
专利内容由知识产权出版社提供
摘要：本发明公开了一种基于金刚石NV色心的量子调控系统，包括532nm激光器1、反射镜2、凸透镜3、半波片4、声光调制器5、二向色镜6、物镜7、金刚石NV色心样品8、荧光透镜9、光电探测器10、任意波形发生器11、功率放大器12、微波天线13、外加磁场14。

利用内含氮原子‑空位结构的NV色心系综的金刚石材料作为敏感元件，使用532nm激光实现氮空位色心能级的实现电子能级的激发及初始化，通过施加特定时间序列的微波信号调控NV色心内部量子态。

采用荧光快速提取的方法实现对NV色心相干特性等高精度量子信息检测，可以有效的服务于量子功能材料的特性表征、医学领域的高精度核共振检测等多个高技术领域。

申请人：中北大学
地址：030051 山西省太原市学院路3号
国籍：CN
代理机构：太原科卫专利事务所(普通合伙)
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Vol. 39, No. 1航 天 器 环 境 工 程第 39 卷第 1 期100SPACECRAFT ENVIRONMENT ENGINEERING2022 年 2 月 E-mail: ***************Tel: (010)68116407, 68116408, 68116544基于光纤耦合金刚石NV色心系综磁强计的电路诊断方法高 扬1，徐超群1Δ，黄 魁1Δ，高羽婷2，刘超波1，王 斌1，武南开1，刘明君1，张 超1，肖 琦1，孟立飞1，易 忠1*（1. 北京卫星环境工程研究所； 2. 中国空间技术研究院：北京 100094）摘要：为考查应用新型磁强计——金刚石氮空穴（nitrogen-vacancy, NV）色心系综磁强计进行电路诊断的可行性和可靠性，从金刚石NV色心系综磁强计的基本原理出发，搭建了一套光纤耦合金刚石NV色心系综磁强计测试实验系统，将探头紧贴于电路导线外壳，通过测量磁强计处磁场信号的变化实现对电路的诊断。

实验结果表明，金刚石NV色心系综磁强计对电路异常引起的磁场变化响应明显，对电流的分辨率优于50 mA；当探头和导线距离发生变化时，观测信号曲线呈现明显的台阶，空间分辨率优于0.4 mm。

本系统采用更加简洁的方案实现了10 μT量级磁场分辨率的性能指标，能够诊断出电路的电流变化并进行精确定位，可广泛应用电路无损检测及可靠性评估。

关键词：磁强计；NV色心；光纤耦合；电路诊断中图分类号：TM936文献标志码：A文章编号：1673-1379(2022)01-0100-05 DOI: 10.12126/see.2022.01.014The circuit diagnosis method with diamond NV center ensemblemagnetometer based on fiber couplingGAO Yang1, XU Chaoqun1Δ, HUANG Kui1Δ, GAO Yuting2, LIU Chaobo1, WANG Bin1, WU Nankai1, LIU Mingjun1, ZHANG Chao1, XIAO Qi1, MENG Lifei1, YI Zhong1*(1. Beijing Institute of Spacecraft Environment Engineering; 2. China Academy of Space Technology: Beijing 100094, China)Abstract: To investigate the feasibility and the reliability of the new type magnetometer, namely, the diamond NV center ensemble magnetometer, in the non-destructive diagnose of the circuit abnormalities, an experimental system of the optical fiber coupled diamond NV center ensemble magnetometer is established based on the basic principles of the new type magnetometer. In this system, the probe is sticked close to the shell of the wire, and the diagnosis of the circuit is realized by measuring the change of the magnetic field signal from the magnetometer. The results reveal that the diamond NV center ensemble magnetometer responds sensitively to the change of the magnetic field caused by the circuit abnormalities. The current resolution of the magnetometer is better than 50 mA. An obvious step-shaped signal can be observed when the distance between the probe and the wire changes, and the spatial resolution is better than 0.4 mm. In the system, a very concise scheme is adopted to realize a magnetic field resolution of 10 μT level. Experiments show that the system can diagnose the current change of the circuit and locate it accurately. It can be widely used in the nondestructive circuit testing and reliability evaluation.Keywords: magnetometer; nitrogen-vacancy center; fiber coupling; circuit diagnosis收稿日期：2021-07-19；修回日期：2022-02-18基金项目：国家国防科技工业局民用航天技术项目引用格式：高扬, 徐超群, 黄魁, 等. 基于光纤耦合金刚石NV色心系综磁强计的电路诊断方法[J]. 航天器环境工程, 2022, 39(1): 100-104GAO Y, XU C Q, HUANG K, et al. The circuit diagnosis method with diamond NV center ensemble magnetometer based on fiber coupling[J]. Spacecraft Environment Engineering, 2022, 39(1): 100-1040 引言金刚石NV 色心系综磁强计是一种基于量子技术的新型磁场测量装置，相比于需要液氦制冷的超导量子干涉仪具有室温磁测的优势，相比于光泵磁强计具地磁场环境下的磁测能力和极高的空间分辨率，相比于磁通门磁强计具有非常高的磁场灵敏度，同时还具有低温下灵敏度高、可进行温度测量、可用于活体测磁等诸多优点[1-2]。

第48卷第S2期红外与激光工程2019年9月Vol.48No.S2Infrare d and Laser Engineering Se p.2019制备光学金刚石膜的微波谐振腔设计及优化李晓静1,郑子云1，史戈平2，高永亮1(1.中国兵器科学研究院宁波分院，浙江宁波315103；2．烟台万隆真空冶金股份有限公司，山东烟台264006)摘要：设计了两种具有不同结构的用于制备光学金刚石膜材料的新型微波谐振腔，第一种山字形剖面的重入式谐振腔，具有能提供足够大的微波谐振空间，激发出高密度等离子体的优点，对其改进后，沉积基台倒置，减少杂质，有助于提高膜的质量。

在第二种谐振腔结构优化过程中发现，微波传输结构部分设计过渡锥台比直接连接时，沉积台上方可获得更强的电场强度，有利于提高沉积速率。

对气体供给方式及流速进行了优化，提出了两种工作气体供给模式，模式I从中心孔进入，模式II从环状孔进入。

结果表明：模式I有利形成均匀膜层，最佳气体流速范围为5~10m/s。

设计的微波谐振腔可应用于高品质光学金刚石膜的制备。

关键词：微波；谐振腔；结构设计；优化中图分类号：TN108.3文献标志码：A DOI：10.3788/IRLA201948.S216001D esign and optimization of microwave cavity for preparation ofoptical diamond filmL i Xiaojing1,Zheng Ziyun1,Shi Geping2,Gao Yongliang1(1.Inner Mongolia Metal Material Research Institute,Ningbo315103,China;2.Yantai Wanlong Vacuum Metallurgy Co.,LTD,Yantai264006,China)Abs tract:Two microwave resonant cavity with different structures for preparing optical diamond film materials were designed.The Hill shape reentrant cavity can provide enough space for microwave to resonate inside,helping to excite high-density plasma.The improved structure with tilted up substrate holde can obtain high quality film with less impurity.In the optimization process of the second design, it was found that the transition structure with cone can obtain stronger electric field intensity and higher deposition rate than the direct connection style.Gas supply ways and flow rate were optimized,two kinds of gas supply modes were proposed.Mode I was that gas enter from one center hole on the top of the cavity,and mode II was a circular path on the top.The results show that the air inlet way with mode I is favorable for the deposition of uniform film,and the optimal gas flow rate range is5-10m/s.The designed microwave cavity can be applied to the preparation of high quality optical diamond film.Key words:microwave;resonant cavity;structure design;optimization收稿日期：2019-04-10；修订日期：2019-05-20基金项目：内蒙古自然科学基金(2017MS0539)作者简介：李晓静(1979-)，女，研究员，博士，主要从事材料表面及等离子技术、光学材料超精密加工工艺方面的研究。