利用非線性光學泵浦將鑽石氮空位中心轉移至暗態

核心概念

這篇研究論文揭示了利用紅外光場的非線性光學激發，可以將鑽石中的氮空位 (NV) 中心泵浦到其暗態 (4A2 態)，從而抑制 NV 中心的發光，並探討了此現象對於量子技術的影響和應用。

摘要

論文資訊

標題：利用非線性光學泵浦將鑽石氮空位中心轉移至暗態
作者：Prasoon K. Shandilya, Vinaya K. Kavatamane, Sigurd Fl˚agan, David P. Lake, Denis Sukachev, and Paul E. Barclay∗
機構：加拿大卡爾加里大學量子科學與技術研究所
日期：2024 年 11 月 19 日

研究背景

鑽石中的氮空位 (NV) 中心是一種極具潛力的量子技術平台，可用於量子記憶體、量子糾纏、生物和凝聚態物質成像以及感測等應用。然而，NV 中心的光動力學特性，特別是光致發光猝滅現象，限制了其在許多量子技術中的性能。這種猝滅現象通常歸因於一種尚未完全理解的暗態。

研究方法

本研究使用具有高品質因子 (Q) 的回音廊模式的鑽石微盤，並結合共聚焦顯微鏡和光纖錐形波導技術，研究了在兩個不同波長 (1524 nm 和 966 nm) 下，不同紅外光場強度對 NV 中心光致發光猝滅的影響。

研究結果

研究發現，兩個紅外光子可以驅動 NV 中心從帶負電的 NV− 激發態 (3E) 轉移到中性 NV0 的四重態 (4A2)，這個過程與紅外光場強度呈非線性關係。當紅外光場強度足夠高時，這種非線性光學泵浦過程會導致 4A2 態的粒子數飽和，從而抑制 NV0 和 NV− 的發光。

研究結論

本研究證實了 NV 中心的暗態可通過紅外光場的非線性光學激發進行佈居，並確定了該暗態為 NV0 的 4A2 態。這個發現對於理解基於光吸收的感測器、自旋光機械腔、懸浮奈米粒子系統、量子記憶體以及其他涉及 NV 電荷態的量子器件的性能極限至關重要。此外，基於猝滅現象的場成像技術為電子束、奈米粒子和近場技術提供了一種替代方案，其對紅外光強度的非線性依賴性還有可能提高後處理中的空間解析度。

統計資料

鑽石微盤的直徑為 5.3 µm，厚度為 0.66 µm。
使用了兩個波長的紅外光：1524 nm 和 966 nm。
紅外光場強度可達到 > 1 W/µm2。
NV− 零聲子線位於 637 nm，NV0 零聲子線位於 575 nm。
3E → 2E 的電離能為 0.70 eV。
ℏω966 nm = 1.28 eV，ℏω1524 nm = 0.81 eV。

引述

"In this Letter, we show that the NV dark state can be populated through nonlinear optical excitation by IR fields."
"These measurements are the first quantitative experimental study of the 4A2 state’s role in dark state behavior, which is distinct from the non-fluorescent positive charge state (NV+) studied by Fermi-level engineering [44, 45]."
"Understanding this behavior is critical for predicting the limits of sensors based on optical absorption [46–48], spin-optomechanical cavity [20, 49] and levitated nanoparticles [35] systems, all of which use intense IR fields, as well as memories [26, 27] and other quantum devices [50] involving NV charge states [28, 29, 51–53]."

從以下內容提煉的關鍵洞見

Nonlinear optical pumping to a diamond NV center dark state

by Pras... 於 arxiv.org 11-19-2024

https://arxiv.org/pdf/2411.10638.pdf

深入探究

除了鑽石中的 NV 中心外，其他材料系統中的缺陷中心是否也表現出類似的暗態行為，以及如何利用這些行為？

是的，除了鑽石中的 NV 中心外，其他材料系統中的缺陷中心也表現出類似的暗態行為。這些材料包括：

類鑽石材料: 例如，碳化矽 (SiC) 中的矽空位 (SiV) 中心和二維六方氮化硼 (hBN) 中的缺陷中心也表現出暗態行為。這些材料具有與鑽石 NV 中心相似的光學和自旋特性，並且在量子資訊處理和量子感測方面具有潛在的應用價值。
稀土離子摻雜晶體: 例如，摻雜在釔鋁石榴石 (YAG) 中的铕離子 (Eu3+) 和鉺離子 (Er3+) 也表現出暗態行為。這些材料在量子記憶和量子通訊方面具有潛在的應用價值。
這些暗態行為的利用方式包括：

超分辨成像: 類似於鑽石 NV 中心，其他材料中的缺陷中心的暗態行為可以用於實現超分辨成像，例如受激發射損耗顯微鏡 (STED)。
量子態操控: 通過控制缺陷中心的電荷態或自旋態，可以操控其暗態行為，從而實現量子態的製備、操控和讀取。
量子感測: 缺陷中心的暗態行為對其周圍環境的電場、磁場和溫度等參數敏感，因此可以用於開發高靈敏度的量子感測器。

如果可以完全抑制 NV 中心的暗態，將如何提升現有的量子技術，例如量子感測和量子資訊處理？

完全抑制 NV 中心的暗態將顯著提升基於 NV 中心的量子技術，例如：

量子感測:

更高的靈敏度: 暗態會導致 NV 中心的光學和自旋性質的波動，從而限制了量子感測器的靈敏度。抑制暗態可以消除這些波動，從而提高感測器的靈敏度。
更長的相干時間: 暗態會縮短 NV 中心的自旋相干時間，從而限制了量子感測器的測量時間。抑制暗態可以延長自旋相干時間，從而提高感測器的精度和穩定性。

量子資訊處理:

更高的保真度: 暗態會降低量子邏輯閘的操作保真度，從而影響量子計算的準確性。抑制暗態可以提高量子邏輯閘的操作保真度，從而提高量子計算的準確性。
更長的信息存储时间: 暗態會縮短量子信息的存储时间，從而限制了量子計算的規模。抑制暗態可以延長量子信息的存储时间，從而提高量子計算的規模和效率。
總之，完全抑制 NV 中心的暗態將為基於 NV 中心的量子技術帶來革命性的進步，推動量子感測和量子資訊處理領域的發展。

從更廣泛的量子物理角度來看，NV 中心的暗態現象揭示了哪些關於量子系統與環境相互作用的本質？

NV 中心的暗態現象揭示了以下關於量子系統與環境相互作用的本質：

退相干: 暗態的形成是 NV 中心與周圍環境（例如聲子、自旋雜質等）相互作用的結果。這種相互作用會導致 NV 中心的量子態與環境發生糾纏，從而導致退相干現象。
能量弛豫: 暗態通常是 NV 中心的亞穩態，其能量低於激發態。NV 中心可以通过與環境的相互作用，例如聲子散射，從激發態弛豫到暗態。
量子噪声: 環境的波動會導致 NV 中心的能級和自旋態發生隨機變化，從而產生量子噪声。暗態的形成和衰減過程都會受到量子噪声的影響。
通過研究 NV 中心的暗態現象，可以深入理解量子系統與環境相互作用的機制，例如退相干、能量弛豫和量子噪声等。這些研究對於開發更穩定、更可靠的量子技術至關重要。