基于色心金剛石的均勻微波場諧振器的研究

畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)題目:基于色心金剛石的均勻微波磁場諧振器 的研究學(xué)院:專業(yè):姓名:學(xué)號:指導(dǎo)教師:年月畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)書I、畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)題目：基于色心金剛石的均勻微波磁場諧振器的研究業(yè)設(shè)計(jì)(論文)使用的原始資料(數(shù)據(jù))及設(shè)計(jì)技術(shù)要求：1、原始資料：色心金剛石高精度測量實(shí)驗(yàn)平臺；微波測試設(shè)備若干；計(jì)算機(jī)2、畢設(shè)要求：(1)查找色心金剛石和均勻微波磁場相關(guān)資料；(2)掌握HFSS微波仿真軟件設(shè)計(jì)使用；(3)提出幾種諧振器設(shè)計(jì)方案，進(jìn)行微波磁場均勻性設(shè)計(jì)研究；(4)探索色心金剛石微波系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)研究。業(yè)設(shè)計(jì)(論文)工作內(nèi)容及完成時間：1、查閱色心金剛石和均勻微波磁場諧振器資料并撰寫開題報(bào)告；03.09－03.202、掌握HFSS微波仿真軟件的設(shè)計(jì)使用；03.21－04.153、提出針對色心金剛石應(yīng)用的均勻微波磁場諧振器的設(shè)計(jì)方案；04.16－04.304、對設(shè)計(jì)方案的微波磁場均勻性進(jìn)行對比總結(jié)和優(yōu)化；05.04－05.155、探索色心金剛石微波系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)研究；05.16－05.316、總結(jié)并撰寫論文，答辯。06.01－06.20要參考資料：[1]MarcusW.Doherty,NeilB.Manson,PaulDelaney,etal.Thenitrogen-vacancycolourcentreindiamond[J].PhysicsReports,2013(528):1–45[2]A.Gruber,A.Drabenstedt,C.Tietz,etal.ScanningConfocalOpticalMicroscopyandMagneticResonanceonSingleDefectCenters[J].Science,1997(276):2012-2014[3]AshokAjoy,PaolaCappellaro.Stablethree-axisnuclear-spingyroscopeindiamond[J].PhysicalReviewA,2012,86(062104):1-7.基于色心金剛石的均勻微波磁場諧振器的研究摘要：金剛石中的雜質(zhì)氮空位中心（簡稱NV色心）由一個取代碳的氮原子和相鄰的一個碳空位組成，它的帶電狀態(tài)是一個負(fù)電荷，當(dāng)吸收一定的微波，會發(fā)出熒光，是很好的單光子源，它的基態(tài)三重態(tài)在零磁場下自然劈裂成能級差為2.87GHz的自旋為0和自旋為1的兩個能級?；诮饎偸蠳V色心系綜電子自旋操控和氮原子核自旋操控的研究需求，需要對金剛石內(nèi)部的NV色心輻射中心頻率為2.87GHz的微波，使它的基態(tài)三重態(tài)發(fā)生分裂同時為了更容易的實(shí)現(xiàn)自旋操控的組合操控方式。氮原子與NV色心電子產(chǎn)生超精細(xì)作用的自旋態(tài)能量間隙在MHZ量級，這就要求微波天線需要150MHz左右的帶寬，從而能夠通過天線在合適的功率下實(shí)現(xiàn)最高效率和最高拉比振蕩頻率的操控氮原子核自旋。對于以NV色心系綜為敏感的慣性測量與磁場測量，為了得到有效的測量信號應(yīng)盡量使系綜中各單一自旋受到相同程度的極化與操控，因此要求微波天線在金剛石樣品敏感區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生均與的微波場，主要包括微波場幅度的均勻性和微波能量傳輸效率的均勻性。針對實(shí)際應(yīng)用中可能遇到的問題應(yīng)當(dāng)考慮微波天線的能量輻射效率，這一點(diǎn)要求微波天線的中心頻率較準(zhǔn)確的定位在2.87GHz，并且要求天線面積與金剛石樣品尺寸差距盡量小以及金剛石樣品距離天線盡可能近。另外考慮到實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的搭建，最初采用國際通用的單根導(dǎo)線的輻射形式以方便系統(tǒng)的搭建和實(shí)驗(yàn)效果的驗(yàn)證。在實(shí)現(xiàn)電子自旋和氮原子核自旋的微波操控實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)之后，將嘗試設(shè)計(jì)多種形式的微波天線來提高微波輻射效率，并同時保證金剛石位置的水平與固定，以及能夠平穩(wěn)的放置在位移平臺上，并且要求微波天線能與微波源和微波放大器良好的耦合。關(guān)鍵字：NV色心金剛石電子自旋操控氮原子自旋操控微波中心頻率指導(dǎo)老師簽名：ThestudyontheresonatorwithuniformmicrowavefieldbasedthecolorcenterdiamondAbstract:DiamondinthenitrogenvacancyCenter(NVCenter)acarbonvacancybyasubstitutionofnitrogenatomsandadjacentcarboncomposition,withanegativechargeoftheNVcenteristhesinglephotonsourceisverygood,itsgroundstatetripletsplittingintothreenaturalenergydifferenceofspin2.87GHz0andspintwolevel1underzeromagneticfield.StudyondemandNVcenterindiamondensembleofspinmanipulationandnitrogennuclearspinmanipulationbasedonneed,diamondradiationcenterfrequencyofthemicrowavesignal2.87GHztorealizetheelectronicgroundstatesplitting.Atthesametimeinordertorealizethecombinationofcontrolspinmanipulationeasier.ThenitrogenatomsandNVproducehyperfineinteractioncenterelectronspinstateenergygapintheorderofMHZ,whichrequiresthemicrowaveantennaneedabout150MHzbandwidthcontrol,thenitrogennucleithuscanrealizethemaximumefficiencyandmaximumRabioscillationfrequencyattherightpowerbyselfrotatingantenna.TheNVCenterforensembleinertialmeasurementandmeasurementofmagneticfieldsensitive,inordertogetthemeasurementsignaleffectivelyshouldtrytomakethesinglespinensemblebypolarizationandmanipulationofthesamedegree,sothemicrowaveantennasareproducedwiththemicrowavefieldindiamondsamplessensitiveregion,includingmicrowavefieldamplitudeanduniformityofthemicrowaveenergytransmissionefficiencyuniformity.Theenergyefficiencyofradiationshouldbeconsideredforthemicrowaveantennamayencounterproblemsinpracticalapplications,thecenterfrequencyrequirementsofmicrowaveantennaaccuratelypositioningin2.87GHz,andtheantennaareaandsamplesizeassmallaspossiblethegapbetweendiamondanddiamondsamplesfromtheantennaascloseaspossible.Consideringtheexperiment,verifytheeffectandbuilttheexperimentalformofradiationinitiallyusingsingleconductortofacilitateinternationalsystem.After.Aftermicrowavecontrolledexperimentsbasedelectronspinandnitrogennuclearspin,willtrytodesignvariousformsofmicrowaveantennatoimprovemicrowaveradiationefficiency,andatthesametimetoensurethepositionofthediamondlevelandfixed,andcanbesmoothlyplacedonthedisplacementplatform,whichisconvenientforantennaandmicrowavesourceandmicrowaveamplifier.

Keywords:NV-color-center-diamondelectron-spin-manipulationnitrogen-spinmanipulationmicrowavecenterfrequencySignatureofSupervisor:TOC\o"1-3"\h\u目錄273051引言209171.1選題的依據(jù)及意義 （選題依據(jù)及意義將待測物原子、分子自旋所產(chǎn)生的弱磁場作為檢測對象的生物成像技術(shù)，因具有超高測量靈敏度和機(jī)體無損檢測的特點(diǎn)，在醫(yī)療檢測領(lǐng)域存在著巨大的應(yīng)用前景。但現(xiàn)有的生物成像技術(shù)在檢測過程中，只能檢測到幾微米甚至幾百微米量級的大小，這一空間分辨率針對大多數(shù)幾微米至幾十微米的細(xì)胞來說，在檢測中會相當(dāng)模糊甚至無法觀察到。在此背景下，金剛石內(nèi)嵌負(fù)價氮原子-空位（negativelychargednitrogen-vacancy，NV–）色心，成為生物成像檢測領(lǐng)域新的研究熱點(diǎn)。因?yàn)樵撐镔|(zhì)對弱磁場具有極強(qiáng)敏感能力，因此可實(shí)現(xiàn)超高空間分辨率的磁場測量?！蹲匀弧冯s志在2014年2月的“特別報(bào)道”中，針對該研究在未來傳感檢測技術(shù)領(lǐng)域的引領(lǐng)作用給予了肯定[1]。根據(jù)NV–色心金剛石磁場傳感的機(jī)理，其理論靈敏度可以達(dá)到亞fT/Hz1/2量級，空間分辨率可以達(dá)到亞nm量級，同時具有啟動速度快、測量速度快、超小型、低成本、長壽命及可常溫檢測等優(yōu)點(diǎn)。因此，該技術(shù)的研究具有重要的研究意義與廣闊的應(yīng)用前景。自從1997年實(shí)現(xiàn)了對帶單個負(fù)電荷的N原子空缺（NV）色心的檢測[2]以來，NV研究領(lǐng)域快速擴(kuò)展，目前NV色心體系被廣泛用于量子計(jì)算、量子存儲、量子傳感等領(lǐng)域的研究[3,4]，這些領(lǐng)域基本處于原理研究和實(shí)驗(yàn)研究階段。要實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算及存儲、量子傳感必須對金剛石色心進(jìn)行自旋極化、自旋操控、自旋檢測，而實(shí)現(xiàn)這些操作的基礎(chǔ)先為金剛石NV色心自旋提供相應(yīng)頻率一定要求的微波磁場，從而使得NV色心基態(tài)能級能夠被外界操控。對NV色心傳送微波是實(shí)現(xiàn)基于NV色心金剛石進(jìn)行物理和生物測量的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。較為傳統(tǒng)的微波傳輸方式主要用于單個色心的實(shí)驗(yàn)條件，如單根導(dǎo)線和共面超導(dǎo)等形式。這些微波傳送方式往往只在某一定點(diǎn)即單個NV色心處表現(xiàn)出較好的微波磁場傳送效果。同時由于單個色心在磁測量等應(yīng)用中表現(xiàn)出的低信噪比特性，目前的研究熱點(diǎn)普遍轉(zhuǎn)移到NV色心系綜上來，而傳統(tǒng)的單根導(dǎo)線微波傳送方式已經(jīng)不能有效的對NV色心系綜產(chǎn)生微波耦合，可見對NV色心系綜提供滿足一定均勻度的微波磁場顯得尤為重要。目前微波天線技術(shù)已經(jīng)非常成熟的應(yīng)用于通信、傳輸?shù)雀鱾€領(lǐng)域，在NV色心金剛石電子自旋操控與核自旋操控應(yīng)用背景下，研究適合于NV色心金剛石尺寸、輻射均勻性以及頻帶寬度的微波天線是進(jìn)行基于金剛石NV色心系綜磁測量等應(yīng)用的基礎(chǔ)與前提。本課題基于北京航空航天大學(xué)結(jié)構(gòu)限域介質(zhì)材料與內(nèi)嵌原子操控慣性測量平臺，利用HFSS仿真軟件提出幾種新型微波磁場諧振腔設(shè)計(jì)方案，并對各方案的磁場均勻性進(jìn)行對比總結(jié)從而進(jìn)一步優(yōu)化方案設(shè)計(jì)，最終探索用于平臺實(shí)驗(yàn)研究的微波磁場諧振腔應(yīng)用效果，以對金剛石色心的自旋極化、自旋操控、自旋檢測進(jìn)行探索性研究。二、國內(nèi)外研究概況及發(fā)展趨勢目前世界上研究NV-色心金剛石的幾大研究小組，如Budker小組、Wrachup小組、Walsworth小組以及杜江峰小組普遍采用單根導(dǎo)線輻射微波的形式，如圖1所示，這種形式的微波天線制作簡單易于操作并且能夠?qū)崿F(xiàn)自選操控等實(shí)驗(yàn)要求。圖1單根導(dǎo)線式微波輻射方式德州農(nóng)機(jī)大學(xué)實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)使用的位于金剛石樣品四角位置的細(xì)長鍍膜天線，其博士論文中主要運(yùn)用了兩種形式的光刻鍍膜天線，能夠?qū)崿F(xiàn)較大平面的輻射范圍和有效的自旋操控。如圖2所示：圖2金剛石上光刻鍍膜輻射方式如圖3所示杜江峰小組除了單根導(dǎo)線模式還正在嘗試應(yīng)用鍍膜波導(dǎo)和諧振腔體方式輻射微波。中科院物理所潘新宇老師小組也采用了單根導(dǎo)線形式和鍍膜波導(dǎo)兩種輻射方式。同時，還有小組將微波單根導(dǎo)線與靜磁場線圈集成光刻在金剛石樣品上的輻射方式，也得到了有效地實(shí)際應(yīng)用。圖3金剛石鍍膜波導(dǎo)輻射方式金剛石NV色心基態(tài)分裂本質(zhì)上屬于電子自旋共振（ESR），基于此原理可以借鑒不同應(yīng)用背景下對固態(tài)薄片型樣品輻射微波場天線的設(shè)計(jì)方法。如圖4所示的微帶線式天線是將長條狀的金屬線并排鍍在基板上，并用功分器對每一條鍍線進(jìn)行耦合并激勵，從而在距離鍍線上方幾百微米處提供100×1000μm2區(qū)域的微波信號，均勻度達(dá)到10-2的微波磁場強(qiáng)度均勻區(qū)，同時均勻區(qū)的寬度與鍍線條數(shù)成正比。此均勻區(qū)的尺寸適合目前尺寸下的金剛石樣品中的NV-色心系綜的位置范圍。圖4基板上微帶線輻射方式哈佛大學(xué)實(shí)驗(yàn)室與2014年發(fā)表的關(guān)于為金剛石NV色心提供均勻有效大強(qiáng)度微波磁場的論文，其中設(shè)計(jì)應(yīng)用的微波輻射天線如圖5所示，為雙開縫環(huán)形貼片天線。能夠提供比圓形或單根導(dǎo)線的饋送方式大50倍的區(qū)域內(nèi)8倍的微波場強(qiáng)，拉比振蕩頻率也相應(yīng)提高了數(shù)倍。圖5雙開縫環(huán)形天線輻射方式在原子鐘系統(tǒng)中也有微波的應(yīng)用，為了將雙頻銣原子鐘小型化，微波腔的小型化顯得至關(guān)重要。論文中實(shí)現(xiàn)了輻射體積小于1cm的有效諧振腔微波輻射方式。諧振腔的方式也可借鑒到金剛石NV色心系綜系統(tǒng)中，但熒光的收集方式目前制約了這種方式的實(shí)際應(yīng)用，可以考慮在諧振腔內(nèi)鍍金屬反射膜來提高熒光收集率但同時金屬對諧振腔的振動振動模態(tài)也會產(chǎn)生影響。圖6原子鐘微波腔設(shè)計(jì)圖和實(shí)物圖高頻結(jié)構(gòu)仿真器（HighFrequencySimulatorStructureHFSS）是一款常用的功能完備、計(jì)算準(zhǔn)確的全波三維電磁場仿真軟件，是業(yè)界公認(rèn)的三維電磁場設(shè)計(jì)和分析的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，可分析仿真任意三維無源結(jié)構(gòu)的高頻電磁場，能直接得到特征阻抗、傳播常數(shù)、S參數(shù)及電磁場、輻射場、天線方向圖等結(jié)果。通過這款軟件仿真微波天線能夠?qū)崿F(xiàn)一下功能：（1）可通過交互式界面輸入高頻元件的幾何結(jié)構(gòu)、材料類型、端口位置、端口特征阻抗定義線等參數(shù)；（2）可按指定的精度計(jì)算多端口結(jié)構(gòu)端口處的S參數(shù)；（3）以電場強(qiáng)度E和磁場強(qiáng)度H作為基本物理量，從麥克斯韋方程出發(fā)，求解微波元件中的電場和磁場的分布和各種曲線圖形。以上幾點(diǎn)功能分別對應(yīng)于色心金剛石微波天線仿真過程中的模型建立、激勵添加和結(jié)果分析。三、研究內(nèi)容及實(shí)驗(yàn)方案3.1研究內(nèi)容（1）對金剛石NV色心、微波傳感相關(guān)知識的基本掌握；（2）掌握HFSS仿真軟件的使用；（3）掌握幾種微波磁場諧振器的設(shè)計(jì)，包括單根導(dǎo)線、微帶天線、共面超導(dǎo)和腔等形式；（4）對幾種不同形式的諧振器磁場均勻性進(jìn)行對比，總結(jié)變化規(guī)律并優(yōu)化設(shè)計(jì)；（5）探索新型微波磁場諧振器在平臺實(shí)驗(yàn)中的表現(xiàn)效果。3.2實(shí)驗(yàn)方案利用金剛石NV色心材料進(jìn)行磁測量實(shí)驗(yàn)裝置如圖7所示，本課題主要研究微波系統(tǒng)中為NV色心金剛石提供均勻微波磁場的諧振器，通過仿真設(shè)計(jì)優(yōu)化并最終用于實(shí)驗(yàn)裝置中。根據(jù)NV色心的能級圖如圖8所示，需要對金剛石輻射中心頻率在2.87GHz的微波信號來實(shí)現(xiàn)電子基態(tài)的分裂。同時為了更容易的實(shí)現(xiàn)自旋操控和得到更長的退相干時間，實(shí)驗(yàn)中將采用NV-電子自旋操控與氮原子核自旋操控的組合操控方式。氮原子與NV-色心電子產(chǎn)生超精細(xì)作用的自旋態(tài)能量間隙在MHz量級，這就要求微波天線需要150MHz左右的帶寬，從而能夠通過天線在合適的功率下實(shí)現(xiàn)最高效率和最高拉比振蕩頻率的操控氮原子核自旋。對于以NV色心系綜為敏感源的慣性測量與磁場測量，為了得到有效的測量信號應(yīng)盡量使系綜中各單一自旋受到相同程度的極化與操控，因此要求微波天線在金剛石樣品敏感區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生均勻的微波場，主要包括微波場幅度的均勻性和微波能量傳輸效率的均勻性。圖7結(jié)構(gòu)限域介質(zhì)材料慣性測量系統(tǒng)總設(shè)計(jì)圖圖8NV-色心金剛石能級躍遷圖四、目標(biāo)、主要特色及工作進(jìn)度4.1目標(biāo)基于金剛石NV色心高精度測量實(shí)驗(yàn)平臺，利用HFSS高頻結(jié)構(gòu)仿真器，為NV色心系綜設(shè)計(jì)均勻有效的微波磁場諧振器，提出集中新型均勻微波磁場諧振器設(shè)計(jì)方案，并對仿真結(jié)果進(jìn)行對比分析從而進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。最終探索新型均勻微波磁場諧振器用于實(shí)驗(yàn)研究的微波耦合效果。4.2主要特色本課題是主要基于金剛石NV色心高精度測量實(shí)驗(yàn)平臺進(jìn)行的均勻微波磁場諧振器設(shè)計(jì)研究，應(yīng)用背景新穎獨(dú)特，設(shè)計(jì)思路在國內(nèi)外具有創(chuàng)新性，具有較高的可行性和實(shí)用性。4.3工作進(jìn)度查閱色心金剛石和均勻微波磁場諧振器資料并撰寫開題報(bào)告；03.09－03.20掌握HFSS微波仿真軟件的設(shè)計(jì)使用；03.21－04.15提出針對色心金剛石應(yīng)用的均勻微波磁場諧振器的設(shè)計(jì)方案；04.16－04.30對設(shè)計(jì)方案的微波磁場均勻性進(jìn)行對比總結(jié)和優(yōu)化；05.04－05.15探索色心金剛石微波系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)研究；05.16－05.31總結(jié)并撰寫論文，答辯。06.01－06.20參考文獻(xiàn)[1]E.B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)NV傳感器接近目標(biāo)鉆石表面時，傳感器NV的區(qū)域靈敏度減少，因?yàn)镹V傳感器熒光部分發(fā)射到目標(biāo)鉆石（由于它的高折射率），并且目標(biāo)NV色心給磁場測量加背景熒光。由于這些效應(yīng)，我們的在最接近目標(biāo)NV磁場靈敏度減少到約96nTHZ-1/2（32πXy脈沖（參考文獻(xiàn)21）解耦方案和40微秒的總相位積累時間；補(bǔ)充圖S5）。正如目標(biāo)NV色心嵌入在鉆石中，傳感器到目標(biāo)NV色心的垂直距離大約是NV傳感器和鉆石表面之間距離的兩倍。于是，為了我們的單個目標(biāo)NV旋轉(zhuǎn)的磁場圖像，我們期望傳感器與目標(biāo)NV的垂直距離大約為50nm，在傳感器NV位置的磁場結(jié)果大約是10nm。通過平均NV磁力儀對200×200nm的磁場范圍的多重掃描獲得已期望的靶原子旋轉(zhuǎn)位置為中心的磁場圖像。（采用在補(bǔ)充圖S3已詳細(xì)說明的橫向漂移校正方案）。應(yīng)用到磁場測量的一套標(biāo)準(zhǔn)化方案，在這個方案中我們可以交替對目標(biāo)NV色心進(jìn)行初始化，初始化為兩個狀態(tài)：“0”狀態(tài)和“1”狀態(tài)。并且在NV傳感器磁序（補(bǔ)充圖S2）期間測量誘發(fā)大小相等而相位相反的轉(zhuǎn)換。我們?yōu)榱诉@兩個最初的目標(biāo)NV自旋極化減去測量的NV熒光比率，這樣把單個目標(biāo)電子自旋的磁場單獨(dú)分離出來（補(bǔ)充圖S4）。圖3圖3|單自旋檢測方案和靶電子自旋調(diào)制驗(yàn)證。為了去檢測NV自旋的磁場，NV色心自旋（頂部面板，藍(lán)色箭頭）放在在脈沖波π/2下自旋狀態(tài)的疊加（繞著X軸）。它然后在來自目標(biāo)色心旋轉(zhuǎn)的磁場的影響下（紅色箭頭），積累相位（蔭庇的藍(lán)色區(qū)域，它的延伸是可視的）。為了優(yōu)化傳感器自旋的磁場靈敏度，通過重復(fù)使用XY序列脈沖波動態(tài)耦合它的環(huán)境。為了磁力測量NV色心自旋，它被顛倒了，同步施加脈沖在NV色心的，從NV色心自旋三重態(tài)分離一個有效的-1/2系統(tǒng)NV色心在0狀態(tài)和1狀態(tài)之間發(fā)生調(diào)整。所繪的是脈沖1，2，127，128下的被測的NV色心熒光。（使用一個終端π/2脈沖傳感器的積累相位是轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋€人口差異，它的Y軸被選來對放大對微小磁場的靈敏度?？拷艗呙璧闹行?，我們在歸一化熒光中從磁序觀察到了下跌，這次下跌超過了由于測量噪聲等級的不確定性所引起的下跌并且這次下跌與在NV傳感器中單個靶電子自旋磁場的效應(yīng)是一致的。整個磁場圖像明確表明了目標(biāo)電子自旋的存在和位置。通過重復(fù)磁場測量的空間凹槽的測量，單個電子自旋檢測是被證實(shí)了的，伴隨這一個結(jié)果即磁響應(yīng)，這磁響應(yīng)正好符合在傳感器和目標(biāo)NV色心之間的垂直距離512nm。誤差是由距離函數(shù)χ2分布決定的，傳感器到目標(biāo)NV的位移是唯一的自由參數(shù)并且這些NV色心的方向系數(shù)是使用電子自旋諧振獨(dú)立測量。測量的熒光差異通過使用NV傳感器的獨(dú)立的校準(zhǔn)磁場響應(yīng)和熒光比率轉(zhuǎn)化成磁場圖像。從在垂直距離51nm處的單個電子自旋得到兩個掃描磁力儀測量與NV傳感器對磁場的響應(yīng)的仿真是一致的。于是，上面的測量是一致的和證實(shí)了單個電子自旋的檢測和納米級圖像。圖4圖4|單自旋磁像?？拷@石頂部的表面NV色心自旋的磁像。當(dāng)重復(fù)地運(yùn)轉(zhuǎn)一個交流磁力儀的脈沖順序（這兒有一個32節(jié)拍的XY脈沖序列，有著40us的總演變時間），NV色心是對靶目標(biāo)橫向掃描，靶電子開始在啊0狀態(tài)自旋的熒光比率和1狀態(tài)是一樣的，他們都是獨(dú)立記錄的。圖中所繪的是這些測量之間的區(qū)別，僅僅依賴于NV色心傳感器的磁場與靶電子自旋的作用并且不是背景熒光的變化（參見補(bǔ)充信息）。在圖像中心附近熒光的顯著下降表示一個被檢測的單電子自旋。b,沿著綠色箭頭獨(dú)立的磁場線條證實(shí)了單自旋成像，。強(qiáng)度和寬度與被記錄的圖像一致使用NV色心傳感器的校準(zhǔn)靈敏度和熒光比率測得的熒光差異轉(zhuǎn)變?yōu)闇y得的磁場。（補(bǔ)充圖55）.c，模擬由于靶電子自旋的熒光。當(dāng)僅僅傳感器-靶電子位移作為一個參數(shù)時，自旋信號是模擬的，與垂直距離51nm的自旋圖像和線條凹槽是一致的。d，如果傳感器-靶電子的垂直距離能夠適度的減少，單自旋成像的質(zhì)量將會顯著的提高。圖中所繪的是不同傳感器-靶電子垂直距離單個靶電子的模擬橫向磁場。在50nm處（流體狀態(tài)），那兒只有一個輪廓，表明了有一個信噪比的單自旋成像；然而，在10nm處，大約100的信噪比是可能的，這些輪廓和靶電子的自旋的偶極波瓣是可以清晰的觀察得到的，每鏡頭一次。在已被證實(shí)了的磁場圖像中，信噪比為1的電子自旋能夠在2.3分鐘獲得。對于單自旋測量的數(shù)據(jù)如圖4所示已經(jīng)被集成為一個42分鐘每點(diǎn)的總時間，得到信噪比為4.3，我們注意到了與在低溫下以往的單自旋成像進(jìn)行比較減少了15倍多。結(jié)合時間與被測目標(biāo)NV自旋磁場一致并且NV傳感器磁場靈敏度是假設(shè)噪音是由光子噪音計(jì)算出來的。我們注意到了單個電子自旋圖像的信噪比隨傳感器到目標(biāo)NV的距離的減少而顯著增加，因?yàn)閮蓸O的磁場衰減等于，于是僅僅在距離上微小的提高被要求減少數(shù)據(jù)集成時間到以秒。由于成功地從單個靶原子的NV自旋測量出了磁場，我們證實(shí)了在外界條件下單個、初始化的電子自旋的成像是可能的。在室溫條件下，自旋通常沒有極化的；然而存在大量的很有趣味的問題如經(jīng)極化的電子自旋失去了熱平衡在理論上可以用磁場檢測出來。這些例子包括自旋霍爾效應(yīng)中的自旋極化電流或拓?fù)浣^緣體，通過鐵磁性導(dǎo)體接觸的自旋注入載流子，石墨薄膜中的鐵磁點(diǎn)缺陷。所有的這些例子都可以在室溫下證明出來。這些系統(tǒng)由于他們潛在的機(jī)理吸引了很多的關(guān)注以及他們在電子自旋和量子計(jì)算的應(yīng)用。迄今為止這樣的極化自旋系統(tǒng)看作是研究領(lǐng)域的挑戰(zhàn)因?yàn)樗麄兇艌鎏⑷跻灾劣诓荒艹上?。因?yàn)閱巫孕`敏度和納米級分辨率，我們磁力儀能夠驚醒對這些初始自旋系統(tǒng)的磁場測量。我們注意到已被證實(shí)的交流磁場測定技術(shù)通常應(yīng)用與已初始化自旋的系統(tǒng)和很多的現(xiàn)有的方法一樣都是從在傳感位置的靶電子獲得時變的磁場。首先，在做的這項(xiàng)工作當(dāng)中，傳統(tǒng)電子自旋諧振方法在很長的自旋時間內(nèi)用于輕擊分裂的電子自旋。另外，電子自旋極化的許多機(jī)理能調(diào)整像自旋極化電流，在退磁中操縱電子密度的門電壓。最中，傳感器到目標(biāo)靶的距離能定期的改變，使得在傳感位置樣本上靜場梯度對于時變信號的轉(zhuǎn)變。在磁相積累期間，如果在NV傳感器上從一個靶電子自旋獲得大量的相位，然后一個沒有初始化的電子自旋在理論上通過測量它的變化測量出來。如果在磁場測量期間相干的傳感器靶原子耦合的足夠強(qiáng)，積累的相位比NV傳感器的相位多出2π。然而，如果一個初始化的靶電子自旋的相干時間和NV傳感起的時間一樣長，然后靶原子和傳感器自旋會纏在一起。結(jié)合了量子態(tài)的長壽命的存儲技術(shù)，掃描傳感器和目標(biāo)靶原子自旋的耦合能力允許在固態(tài)電子自旋之間的進(jìn)行量子信息機(jī)械傳遞。2012年11月3號投稿，2012年12月27號被接受；2013年2月13號在網(wǎng)上發(fā)表。致謝我們非常感謝六號元素，為了NV傳感器和靶原子向我們提供金剛石樣品。M.S.G是來自國防部門（NDSEG計(jì)劃）和美國國家科學(xué)基金會的支持。S.H感謝來自kwanjeong獎學(xué)金基金會的支持，和P.M感謝瑞士國家科學(xué)基金會的友情資助。這項(xiàng)工作得到了DARPAQUEST和QuASAR計(jì)劃以及MURIQuISM的支持。參考文獻(xiàn)1.Mansfield,P.Snapshotmagneticresonanceimaging(Nobellecture).Angew.Chem.Int.EdnEngl.43,54565464(2004).2.Rabi,I.I.,Zacharias,J.R.,Millman,S.&Kusch,P.Anewmethodofmeasuringnuclearmagneticmoment.Phys.Rev.53,318(1938).3.Bloch,F.Nuclearinduction.Phys.Rev.70,460474(1946).4.Glover,P.&Mansfield,P.Limitstomagneticresonancemicroscopy.Rep.Prog.Phys.65,14891511(2002).5.Martin,Y.&Wickramasinghe,H.K.Magneticimagingby`forcemicroscopy'with1000?resolution.Appl.Phys.Lett.50,14551457