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研究快讯 | 兆巴高压下的金刚石NV中心光探磁共振
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EXPRESS LETTER
Optically Detected Magnetic Resonance of Diamond Nitrogen-Vacancy Centers under Megabar Pressures
Jian-Hong Dai(戴建洪), Yan-Xing Shang(商延兴), Yong-Hong Yu( 俞永宏), Yue Xu(徐跃), Hui Yu(于慧), Fang Hong(洪芳), Xiao-Hui Yu(于晓辉), Xin-Yu Pan(潘新宇), Gang-Qin Liu(刘刚钦)
Chin. Phys. Lett. 2022, 39: 117601
DOI: 10.1088/0256-307X/39/11/117601
文章亮点
首次在兆巴高压(1 Mbar=100 GPa)下实现金刚石氮空位(Nitrogen-vacancy, NV) 中心光探磁共振实验测量，获得NV中心自旋和光学性质随压强变化规律，极大地拓展了金刚石自旋量子传感的工作区间。
兆巴高压下金刚石NV中心光探磁共振和量子传感。左上：金刚石对顶砧和NV中心示意图。左下：NV中心零场劈裂(D)随压强变化规律。中：不同压强下微米金刚石中集群NV中心光探磁共振谱线，外加磁场为零。右上：80 GPa压强下NV自旋Rabi振荡。右下：80 GPa压强下用NV中心测得的外加磁场矢量演化结果。
兆巴高压下的金刚石NV中心光探磁共振
研究背景
高压极端条件是实现物态调控的重要手段之一。随着金刚石对顶砧高压技术的发展，人们已在实验室内获得数百兆巴的高压，这为地球内核环境的实验模拟，实现近室温超导等重要科学问题提供了独特的研究途径。然而，在极端高压下进行物性测量是极其挑战的，尤其是磁性测量。一方面，兆巴高压下样品仅有数10微米，对应的信号极其微弱；另一方面，金刚石对顶砧外围支撑结构一定程度上限制了可用测量方案。近年来，基于金刚石氮空位(NV)中心的量子传感发展迅速，为高压腔内微区物性测量提供了有力工具，但该方案仅在60 GPa以下得到了原理验证，进一步提升其工作压强是高压物性测量和自旋量子调控的共同需求。
内容简介
近日，中国科学院物理研究所于晓辉研究员、潘新宇研究员、刘刚钦特聘研究员指导戴建洪博士、商延兴博士等，成功在兆巴高压下实现了金刚石NV中心自旋量子调控和量子传感。在这个工作中，研究人员在0-140 GPa范围内测量了金刚石微米颗粒中NV集群的光致发光谱(PL)和光探磁共振谱(ODMR)，实验展示了金刚石NV量子传感所需的核心元素，包括激光激发、微波调控、以及荧光读出等，均可在近140 GPa的高压下实现，而且其工作机理与常压情况一致，用532 nm激光即可实现其自旋极化和读出。进一步地，研究人员还在80 GPa高压下实现了金刚石NV中心自旋量子态相干调控，并用该微区量子探针实现了磁场和应力张量的原位测量。这些结果为进一步提升NV量子传感工作压强指明了方向，包括制备更均匀和更好的静水压条件，以及提升NV荧光收集效率等。
研究意义和重要性
本文的研究结果加深了我们对金刚石NV中心自旋和光学性质的理解，极大地拓展了金刚石自旋量子传感的工作压强区间，也为进一步提升其工作压强和探测灵敏度给出了指引，有望促进量子传感在凝聚态物理、材料科学、地球科学等领域前沿研究中的应用。
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