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量子測量指的是通過操控微觀粒子的量子態(tài)，對溫度、磁場、電流等物理量進(jìn)行超高精度的測量，精密量子測量中對量子材料的要求很高，例如不僅要具有穩(wěn)定的量子態(tài)、可控的電子自旋、對磁場和溫度極其敏感等性質(zhì)，還能利用光學(xué)、微波等手段進(jìn)行操控或讀寫。
在量子測量領(lǐng)域中，NV色心（Nitrogen-Vacancy Center）是當(dāng)之無愧的明星材料之一。NV色心，其實(shí)也并不神秘，它就是眾所周知的鉆石（金剛石）中的一種點(diǎn)缺陷，即一個氮原子替代了金剛石晶格中的一個碳，同時鄰近位置存在一個碳原子的空位，顧名思義被稱為氮(N)-空位(V)色心。鉆石中除了NV色心，還有其他種類的色心，基本都由金剛石內(nèi)部的微量雜質(zhì)或者晶格缺陷引起的，色心是鉆石絢麗的色彩之源，也會為其帶來獨(dú)特的光學(xué)性質(zhì)。
色心—鉆石絢麗色彩之源
NV色心晶格結(jié)構(gòu)
我們接下來看看NV 色心是如何成為量子測量領(lǐng)域的明星材料的。NV色心通常具備兩種電荷狀態(tài)，分別為帶一個負(fù)電荷狀態(tài)和電中性狀態(tài)，其中帶負(fù)電荷狀態(tài)的色心具備優(yōu)良的光探測磁共振性質(zhì)，文中的色心均指負(fù)電荷狀態(tài)的NV色心。
NV色心中的電子有三種自旋狀態(tài)，可以用符號表示為|0⟩、|+1⟩和|-1⟩。我們可以將其簡單理解為這是電子旋轉(zhuǎn)的三種“姿態(tài)”，對應(yīng)三個能級，或者稱為三個量子態(tài)。當(dāng)用一束特定波長的綠光去照射NV色心的時候，能把色心中的電子全部初始化到|0⟩態(tài)。在|0⟩態(tài)，NV色心會以輻射發(fā)光的方式釋放激發(fā)態(tài)能量，發(fā)出紅色熒光，NV色心處于亮態(tài)。如果此時對NV色心施加微波場，當(dāng)微波頻率與 NV電子自旋躍遷能級差相等時，就會發(fā)生共振，NV色心便從|0⟩ 態(tài)躍遷到|+1⟩和|-1⟩態(tài)，這時處于激發(fā)態(tài)的電子要經(jīng)過系間竄越過程，先到達(dá)暫穩(wěn)態(tài)后退激返回基態(tài)，此過程不會輻射發(fā)光，因此會檢測到熒光計(jì)數(shù)下降，NV色心處于暗態(tài)。由于NV色心熒光具有自旋依賴性，我們可以用激光來探測NV色心電子順磁共振信號，該方法也被稱為光探測磁共振（Optically Detected Magnetic Resonance，ODMR）
NV色心的光探測磁共振過程
難能可貴的是，NV色心是一種常溫的量子體系，在室溫下就能工作，不需要極冷的外部環(huán)境，其內(nèi)部的電子狀態(tài)可以被激光和微波控制并讀取，易于操控，對溫度、磁場、電流 等變化敏感，這意味著我們只需要一套NV色心操控和讀取系統(tǒng)，就能在同一個位置同時準(zhǔn)確感知多個物理量，這可大大提升測試效率。因此，NV色心在精密量子測量中，發(fā)揮著非常重要的作用。
NV色心感應(yīng)磁場/溫度/微波功率
北京卓立漢光儀器有限公司推出的基于NV色心的Finder-NV光探測磁共振（ODMR）測試系統(tǒng)可在CW-ODMR和Pulsed-ODMR之間切換。在CW-ODMR模式下，可測試NV色心在磁場下的塞曼分裂，實(shí)現(xiàn)高空間分辨率下高靈敏度探測弱磁場信號；而縱向零場劈裂的大小受溫度變化影響極大，NV色心可作為溫度傳感器感應(yīng)溫度變化。在Pulsed-ODMR模式中，通過對電子自旋施加動力學(xué)解耦脈沖序列（Dynamical Decoupling）進(jìn)行量子操控，可測試NV色心中的拉比振蕩（Rabi Oscillations），哈恩回波（Spin Echo），自由弛豫衰減（Free Precession）等過程。
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