应用分享｜NKT连续谱光源助力金刚石氮空位（NV）色心研究

量子材料通常在低温条件下会展现出一些奇特的性质，例如导现象等。导体除了电阻为零外，还会排斥内部的磁场，这种现象叫做迈斯纳效应。这些现象只会在低温条件下发生。如果我们能找到一些材料即使不在低温下也能展现导性质，将会带来革命性的变化。

含有晶体缺陷的金刚石，成为

量子科研人员的“关注对象”。

这个缺陷位于规则的碳原子晶格中。该缺陷由单个氮原子和缺失的碳原子或者空位相结合而组成，这种带负电荷的氮空位缺陷，称为NV色心。NV色心具有独特的光学吸收和发射性质，它使金刚石略微带有粉色或黄色。

除了其不寻常的光学特性外，负电荷状态下的NV色心在其基态下也具有电子自旋S=1。值得注意的是，处于这个态的电子自旋可以在室温下被控制和读出。原因在于，与大多数材料不同，金刚石中的晶格形成低噪声环境，因此不会丢失脆弱的量子特性，并且可以更长时间的存储和探测信息。

金刚石色心的应用很广，从量子通信、密码学到传感都能涉及到[1]。不同的色心具有不同的特性，包括吸收光谱、发射光谱、荧光寿命和自旋态都不尽相同，因此适合于不同的应用。为了进一步调控色心的荧光特性，人们将其嵌入到光子纳米结构中[2,3]。相对于块状金刚石中的色心，嵌入纳米结构中的色心由于外部光学环境的改变，通常会引起其激发态寿命的变化，因此需要搭建新的实验装置进行观察。近期，Jun.教授和Elke Neu-Ruffing博士带领的德国研究小组，报导了他们基于金刚石色心的新型传感器的部分实验研究结果。

连续谱激光器是理想的荧光激发源

实验中，我们搭建了一套多功能的共聚焦激光荧光显微镜。选择的荧光激发源是NKT Photonics公司的SuperK EXTREME连续谱激光器，并配备了脉冲选择器和VARIA滤波器系统。该配置是用作时间分辨，如荧光寿命成像（FLIM）的理想选择。

由于氮空位（NV）色心具有稳定的光发射和可寻址光子自旋态等特性，使其可用于物理量的传感[1]。

荧光寿命图

揭示了NV色心与WSe2之间的相互作用

近，我们为纳米单晶金刚石NV色心研发了一种新型传感方法。

利用NV色心的偶特性以及较宽的光发射带，可以验证NV色心与附近其他偶子的无辐射能量转移。实验中，利用了金刚石表面单层硒化钨（WSe2）中的激子，该过程称为福斯特共振能量转移（FRET）[4]。

当FRET为NV色心的激发态开辟出一条额外的衰减通道时，NV色心与WSe2的相互作用表现为其激发态寿命变化。当单层WSe2薄片被转移到金刚石表面，并利用荧光寿命成像显微镜（FLIM）对金刚石浅表层的NV色心进行测量，获取其荧光寿命图。[见图1(a)]。

FRET过程中，

NV色心仍然具备磁场感测能力

基于荧光寿命图，我们研究了NV色心与单层WSe2薄片之间的相互作用。正是在NKT Photonics激光系统的有效辅助下，特别是其稳定的脉冲强度、宽的光谱范围、简易可选的重复频率以及对无效脉冲的高抑 制性等优势，终实现了必要的测量，并完成了该项新应用的研究。

SuperK EXTREME的脉冲选择器可确保激光脉冲与探测器的同步，建立检测的时间门控，终清晰地区分出WSe2和金刚石NV色心的荧光 [比较图1(b)和(c)]。时间同步非常重要，特别是要进一步研究NV色心与WSe2薄片相互作用时的自旋特性。实验展示了FRET过程中，NV色心的磁场感测能力仍保持不变，利用该特性，金刚石中的NV色心有望成为多功能传感器。

研究小组介绍

由Jun. 教授和Elke Neu-Ruffing博士领导的研究小组，致力于研究基于金刚石色心的新型传感器。金刚石中的杂质，即所谓的色心，可以看作是人造原子。它们与原子一样小，可以用作高灵敏度的传感器，例如磁场探测。为了建立分辨率接近纳米量级的高空间分辨率图像，我们将色心嵌入到纳米级的扫描探针结构中。这些新型结构的研究成果可作为生命科学的通用成像工具。

参考文献

[1] M. Radtke, E. Bernardi, A. Slablab, R. Nelz, and E. Neu, “Nanoscale sensing based on nitrogen vacancy centers in single crystal diamond and nanodiamonds: achievements and challenges,” Nano Futures 3 (4), 042004 (2019).

[2] P. Fuchs, M. Challier, and E. Neu, „Optimized single-crystal diamond scanning probes for high sensitivity magnetometry,” New J. Phys. 20, 125001 (2018).

[3] R. Nelz, P. Fuchs, O. Opaluch, S. Sonusen, N. Savenko, V. Podgursky, and E. Neu, „Color center fluorescence and spin manipulation in single crystal, pyramidal diamond tips,” Appl. Phys. Lett. 109, 193105 (2016).

[4] R. Nelz, M. Radtke, A. Slablab, Z.-Q. Xu, M. Kianinia, C. Li, C. Bradac, I. Aharonovich, and E. Neu, “Near‐Field Energy Transfer between a Luminescent 2D Material and Color Centers in Diamond,” Adv. Quantum Techn. 1900088 (2019).