Attocube公司低溫納米位移臺在NV-色心前沿領域取得突破性進展

　　近年來，金剛石NV色心（Nitrogen-vacancy defect centers）在科研領域受到越來越多的關注和重視，NV色心獨特且穩定的光學特性使其擁有極其廣泛的應用前景，尤其在大力興起的量子信息領域，NV色心可以作為單光子源用於量子計算，而且NV色心作為具有量子敏感度的傳感器，還可應用於納米級解析度的磁場、電場、溫度和壓力的探測；在生物學領域，NV色心更是出色的生物標識物，具有光學性能穩定、細胞毒性低的優點。

　　德國attocube systems AG公司針對NV色心應用領域開發了多款低溫納米精度位移器及掃描器，為低溫下的NV色心精確位移、旋轉及掃描提供了極大的便利。以下是低溫環境中(4K)NV色心研究的典型實驗方案。基於NV 色心的量子網絡節點和寄存器設計

　　量子網絡節點的實現是未來量子網絡乃至量子網際網路的基本要求。這樣的量子寄存器在不幹擾底層量子狀態的情況下負責接收或發射信息。近期，美國哈瓦德大學（Cambridge，MA，USA）的Marko Loncar和Mikhail Lukin小組提出了基於金剛石納米腔中矽空位色心的基本量子網絡節點。課題組在稀釋制冷機中採用德國attocube的極低溫納米位移器ANPxyz101和atocube的低溫複色差物鏡搭建的極低溫mK共聚焦顯微鏡，對金剛石晶格中的光學活性點缺陷進行了表徵。此外，作者還通過將系統耦合到入射光光子以及附近具有100 ms退相干時間的核自旋來演示作為量子寄存器節點的工作原理，使第一代量子中繼器邁出了堅實的一步。

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　　C.T. Nguyen et al, Phys. Rev. B 100, 165428 (2019)

圖一、基於德國attocube公司的極低溫納米精度位移臺和低溫消色差物鏡搭建的共聚焦顯微鏡

圖二、系統原理圖

　　NV 色心在加壓凝聚態系統中的量子傳感

　　壓力引起的影響包括平面內部性質變化與量子力學相轉變。由於高壓儀器內會產生巨大的壓力梯度，例如金剛石腔，致使常用的光譜測量技術受到限制。為了解決這一難題，巴黎第十一大學，香港中文大學和加州伯克利大學的科研團隊共同研發了一個新奇的納米尺度傳感器，研究者把量子自旋缺陷集成到金剛石壓腔中來探測極端壓力和溫度下的微小信號，空間解析度不受到衍射極限限制。

　　為此，加州伯克利大學團隊使用與光學平臺高度集成的閉循環德國attocube公司的attoDRY800低溫恆溫器來進行試驗，attoDRY800中集成了attocube公司的極低溫納米精度位移臺，以此來實現快速並且精確控制金剛石壓強的移動以及測量實驗。

　　更多詳情請點擊:S. Hsieh et al., Science, Vol. 366, Issue 6471, pp. 1349-1354 (2019) M. Lesik, et al., Science, Vol. 366, Issue 6471, pp. 1359-1362 (2019)K. Yau Yip et al., Science, Vol. 366, Issue 6471, pp. 1355-1359 (2019)

圖一、實驗示意圖及測量結果

　　NV 色心的自旋與光子的增強耦合研究

　　可靠的量子信息系統需要不同的量子系統結合它們各自的最佳特性來實現。光子作為局域量子比特之間的媒介提供了靈活和普遍的可能，。因此，對固體量子比特與光子的有效耦合是量子計算的基本要求。氮空位中心具有較長的自旋相干時間，其自旋可以通過光學初始化、操縱和檢測。然而，只有大約3%的光子發射被躍遷到了零聲子線中。這極大的限制了單光子的區分效率和自旋與光子的相干相互作用信噪比。德國薩蘭大學（Saarbrücken, Germany）的Christoph Becher小組設計和製造了一個可調諧二維光子晶體腔（圖1A），並報導了一個數量級的增強發射率（圖1B）。通過雷射誘導，實現了M0腔模式與NV中心零聲子線共振的調諧。原位光學測量可控制實時的調諧過程。其製作優化和調諧結果是光學自旋讀出結果是其信噪比的三倍。Christoph教授提出的製造工藝和實驗裝置，可以獲得更高的信噪比。為未來的量子信息提供了更多的可能和客觀的前景，在此測量實驗中使用的德國attocube公司製造的低溫納米位移器ANPxyz101，能夠在極低溫環境下，實現5 mm*5 mm*5 mm的行程，而且能夠實現200 nm解析度，1 μm精度的閉環反饋。

　　更多詳情請點擊:T. Jung, et al; "Spin Measurements of NV Centers Coupled to a Photonic Crystal Cavity", arXiv:1907.07602 (2019)

圖一、A 實驗製備的可調諧的二維光子晶體腔體；B 在637.4 nm處M0腔模式和NV-ZPL的相互作用

　　總體NV色心信號收集實驗

　　將磁性樣品覆蓋在表面具有較多NV色心的塊體金剛石襯底上。這個NV色心表面層通常由離子注入或在金剛石表面合成富氮表面層來實現。通常採用532 nm的雷射激發NV色心到激發態，並在630-800 nm波長範圍收集螢光信號，同時利用微波信號激發和探測NV色心的自旋態（ESR）。螢光信號由二維的CCD探測陣列收集成像並與樣品相對應。與單個NV色心的研究不同，該實驗方案採用大工作距離獲得大視野範圍的成像，從而實現大面積信號的採集。該實驗方案中對於塊體金剛石襯底及磁性樣品的精確位移採用的是attocube公司的ANP341系列納米精度位移臺，該位移臺可以在4K低溫強磁場環境中實現20 mm超大行程的位移，最小位移步長20 nm@4K，垂直方向的載重達2 Kg，低溫下採用電阻式傳感器，可以實現200 nm的解析度，1 μm的重複精度。

圖一、 CCD與顯微鏡成像系統

圖二、 低溫強磁環境兼容納米精度位移臺 ANP341

　　單個NV色心研究：樣品表面的納米金剛石

　　納米金剛石的單個NV色心探測可以通過共聚焦顯微技術來實現。該實驗裝置包括attocube的三維低溫納米位移臺，Z方向可以精準調整樣品到焦平面，XY可以對樣品表面進行掃描。採用532 nm雷射激發，對630 nm-800 nm範圍的螢光信號進行採集。採用可調的微波信號對NV色心的自旋態進行激發，通過螢光信號的峰值位移來確定其自旋態。整個實驗在4K低溫恆溫器中進行。為了研究感興趣的區域，通常將金剛石粉末（20-30 nm）均勻的撒在樣品表面，然後使用attocube三維納米位移臺來掃描樣品並且對特定NV色心進行測量，並且可以通過單個NV色心觀測較大溫度範圍內的樣品性質。

圖一、掃描共聚焦顯微鏡示意圖

　　Tokura課題組成功的運用此技術研究了FeGe樣品中的磁渦旋結構。

　　更多細節請參考：

　　Using NV-Center Optically Detected Magnetic Resonance (ODMR) as a Probe for Local Magnetic Dynamics in Transition Metals

　　掃描探針量子探測器(例如：掃描磁力顯微鏡)

　　將一個NV色心固定在掃描探針顯微鏡的探針末端。可以通過在針尖上「粘貼」納米金剛石，或採用納米壓印與O₂刻蝕技術將塊體金剛石加工成尖端再用N-14注入來實現NV色心，現在甚至已經有商業化的針尖。採用共聚焦顯微鏡將激發光聚焦在掃描探針的NV色心上。實驗中樣品的精確掃描是通過attocube公司的低溫納米精度位移臺進行。這樣便可實現對樣品表面的納米級精度大範圍成像測量。該技術理論上可以對多種與NV色心螢光相關的特性進行高精度顯微學測量。

圖一、掃描探針顯微鏡示意圖 

　　Jayich課題組 (UCSB)運用這一技術在BaFe₂(As_0.7P_0.3)₂超導材料的轉變溫度附近（30K）成功觀測到了旋渦。這一技術在研究材料低溫下的新奇性質方面前景廣闊。

　　更多細節請參考：

　　Scanned probe imaging of nanoscale magnetism at cryogenic temperatures with a single-spin quantum sensor.

　　基於NV色心顯微鏡對疇壁跳變的納米級成像與控制

　　磁力線中的疇壁可能對未來的自旋電子器件是有用的，因此其納米尺度的表徵是邁向實用化的重要一步。正如法國科學家Vincent Jaques在《科學》雜誌上所展示的那樣，基於AFM/CFM的NV中心顯微鏡可以對1 nm厚的鐵磁納米線中的疇壁進行成像，以及單個疇壁釘扎位置之間的跳躍。同時，研究還表明，由於高的局部雷射功率，疇壁可以通過局部加熱誘導跳躍而沿導線移動。對實驗結果起關鍵作用的是德國attocube公司的低溫納米位移臺，其能夠實現低溫下納米精度的樣品位移、傾角、旋轉和掃描等功能。

　　更多詳情請點擊:Tetienne et al ., Science 344, 1366(2014)

圖一、實驗裝置示意圖

　　相關產品：

　　低溫強磁場納米精度位移臺：https://www.caigou.com.cn/product/20160315782.shtml

　　極低溫mK級納米精度位移臺：https://www.caigou.com.cn/product/2020030386.shtml