Исследованы спектральные характеристики оптически детектируемого магнитного резонанса отрицательно заряженных центров азот-вакансия (NV-) в синтетических алмазах и наностолбах на их поверхности, сформированных сфокусированным ионным пучком Ga+ при заселении нижних спиновых подуровней микроволновым излучением. В ходе исследований для проявляющихся спиновых резонансов при различных значениях внешнего магнитного поля выявлено как существенное уменьшение гиромагнитного соотношения, так и существенное падение контраста фотолюминесценции для направлений центров NV-, наклонных к оси наностолбов вследствие остаточных дефектов от ионного травления, регистрируемых на спектрах комбинационного рассеяния света в форме пиков от аморфного углерода и графита и создаваемых ими напряжений. The spectral characteristics of optically detectable magnetic resonance (ODMR) are investigated for negatively charged nitrogen-vacancy (NV-) centers in synthetic diamonds and nanopillars on their surface formed by a Ga+ focused ion beam (FIB), when lower spin sublevels are populated with the microwave radiation in 0-20 G magnetic fields. Both a significant decrease in the gyromagnetic ratio and the quenching of luminescence from the NV- centers inclined to the nanopillar axis are revealed due to residual defects and stresses created by them.
Исследованы спектральные характеристики оптически детектируемого магнитного резонанса отрицательно заряженных центров азот-вакансия (NV-) в синтетических алмазах и наностолбах на их поверхности, сформированных сфокусированным ионным пучком Ga+ при заселении нижних спиновых подуровней микроволновым излучением. В ходе исследований для проявляющихся спиновых резонансов при различных значениях внешнего магнитного поля выявлено как существенное уменьшение гиромагнитного соотношения, так и существенное падение контраста фотолюминесценции для направлений центров NV-, наклонных к оси наностолбов вследствие остаточных дефектов от ионного травления, регистрируемых на спектрах комбинационного рассеяния света в форме пиков от аморфного углерода и графита и создаваемых ими напряжений. The spectral characteristics of optically detectable magnetic resonance (ODMR) are investigated for negatively charged nitrogen-vacancy (NV-) centers in synthetic diamonds and nanopillars on their surface formed by a Ga+ focused ion beam (FIB), when lower spin sublevels are populated with the microwave radiation in 0-20 G magnetic fields. Both a significant decrease in the gyromagnetic ratio and the quenching of luminescence from the NV- centers inclined to the nanopillar axis are revealed due to residual defects and stresses created by them.
В работе исследованы особенности кросс-релаксации в нулевом магнитном поле в ансамблях NV-центров в алмазе. Продемонстрировано, что амплитуда и ширина линии кросс-релаксационного резонанса в нулевом магнитном поле (ZFCR) зависят от концентрации NV-центров и температуры образца. Изучено поведение данного резонанса в продольных и поперечных магнитных полях. Реализованы способы полностью оптической квантовой магнитометрии без применения СВЧ-излучения. Результаты подтверждают перспективность ZFCR для создания компактных магнитных сенсоров
Предел обнаружения квантовых сенсоров на спинах пар азот-вакансия (NV) и их ансамблях в алмазе пропорционален времени дефазировки спинов Т2 * и обратно пропорционален корню их концентрации. Однако Т2 * зависит от спинов других дефектов и обычно Т2 *<Т2 – времени спиновой релаксации на NV центрах. Причем экспериментально выполняется соотношение T2 * << T2 при теоретической величине T2/T2 * 16 за счет неспаренного электрона доноров Ns 0. Важнейшей задачей является увеличение плотности NV центров при сохранении длительного времени спиновой когерентности [2]. Оно зависит как от качества специально разработанных синтетических кристаллов “квантового класса”, так и от формирования ансамблей и гибкости метода химического осаждения из паровой фазы с помощью плазмы (CVD). Проблемой остается создание ансамблей в заданной области с контролем числа NV центров. Задача формирования ансамблей квантового класса была решена в ИФП, ИГМ и ИТФ СО РАН.
Квантовые устройства на спинах точечных дефектов широкозонных полупроводниках, например, NV центров и их ансамблях в алмазе привлекательны возможностью работы при комнатных температурах, однако время спиновой релаксации Т2 * зависит от других дефектов и обычно Т2 *<<Т2 – времени когерентной релаксации на узловых атомах азота Ns. Проблемой остается их создание в заданной области, единственным способом которого является имплантация, создающая массу других дефектов. Решить проблему “квантового качества” можно двумя способами. Во-первых, формированием сверхрешеток из узловых атомов азота с регулярными рельефом для их встраивания при росте из газовой фазы, а затем захватом вакансий, сформированных при локальном облучении и нагреве сфокусированным пучком, в соседние c азотом узлы. Во-вторых, внедрением одиночных ионов N+ имплантерами с регистрацией фотонной или электронной эмиссии от вошедшего в мишень иона или заряда на её поверхности, управляющих процессом переноса ионного пучка в новую точку.
работа представляет собой краткий обзор исследований и достижений в сфере развитии квантовых технологий, применяемых как в области квантовой защиты информации, в первую очередь, так и для развития других сфер, имеющих значение для обеспечения нужд государства. Цель данной работы – анализ перспектив использования NV-дефектов твердотельных структур, изучение их свойств, а также определение положения, которое они занимают при разработке методов и способов защиты информации в оборонной промышленности. Методы проведения работы – использование некоторые результаты исследований ведущих российских и зарубежных ученых, полученные в течение последних нескольких лет и охватывающие круг вопросов, связанных с использованием NV-дефектов в различных областях промышленности, в том числе в оборонной. Результаты данной работы: обозначены перспективы использования NV-дефектов не только в алмазной кристаллической решетке, но и других твердотельных структурах; определены четыре основных вызова для внедрения (масштабирование, интеграция, стоимость, устойчивость); обоснована перспективность замены алмаза на карбид кремния (6H-SiC) для интеграции с существующей микроэлектроникой. Выводы: NV-дефекты являются базовым элементом для создания квантовых сенсоров, систем квантового распределения ключей и квантовых вычислителей оборонного назначения. The paper provides a brief overview of research and achievements. in the field of the development of quantum technologies used both in the field of quantum information protection, first of all, and for the development of other areas that are important for meeting the needs of the state. The purpose of this work is to analyze the prospects for using NV defects in solid–state structures, study their properties, and determine the position they occupy in the development of methods and methods of information protection in the defense industry. The methods of the work are based on some of the research results of leading Russian and foreign scientists obtained over the past few years and covering a range of issues related to the use of NV defects in various fields of industry, including defense. The results of this work: the prospects of using NV defects not only in the diamond crystal lattice, but also in other solid-state structures are outlined; four main challenges for implementation (scaling, integration, cost, stability) are identified; the prospects for diamond replacement are substantiated silicon carbide (6H-SiC) for integration with existing microelectronics. Conclusions: NV defects are a basic element for creating quantum sensors, quantum key distribution systems, and defense-grade quantum computers.
Исследован узкополосный N-резонанс, формируемый в А-системе атомов рубидия Di-линии, при наличии буферного газа неона и излучения двух непрерывных узкополосных диодных лазеров. Использовались специальные ячейки, с помощью которых исследовалась зависимость процесса от толщины L столба паров в милли-, микро- и нанометровой областях. Проведенное сравнение зависимостей N-резонанса и резонанса электромагнитно-индуцированной прозрачности (ЭИП) от L показали: минимальная (рекордно малая) толщина, при которой регистрируется N-резонанс составляет L = 50 мкм, в то время как контрастный ЭИП-резонанс легко формируется даже при L к 800 нм. Показано, что N-резонанс в магнитном поле для атомов 85Rb расщепляется на пять или шесть компонент (в зависимости от направлений магнитного поля и лазерного излучения). Полученные результаты указывают на то, что в формировании N-резонанса начальным и конечным уровнями являются нижние уровни Fg = 2,3. Проведено исследование зависимости N-резонанса от угла между лазерными пучками. Отмечены практические применения.
Raman and ODMR Spectroscopy of NV Centers in Nanolayers and Nanopillars of ⟨111⟩ Diamond after Etching with a Focused Beam of Ga Ions
The spectral characteristics of the optically detected magnetic resonance of negatively charged nitrogen–vacancy (NV − ) centers in synthetic diamonds and nanopillars on their surface formed by a focused Ga + ion beam, when the lower spin sublevels are populated with microwave radiation, are studied. In the course of studies for emerging spin resonances at different values of the external magnetic field, both a significant decrease in the gyromagnetic ratio and a significant drop in the photoluminescence contrast are revealed for the directions of the NV − centers inclined to the axis of the nanopillars due to residual defects from ion etching recorded on Raman spectra in the form of peaks from amorphous carbon and graphite and the stresses they create.