应用分享｜NKT超连续谱光源助力金刚石氮空位（NV）色心研究

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。

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。

图1：（a）NV（氮空位）体系上WSe2（硒化钨）薄片的光致发光图。此处选用了SuperK EXTREME超连续谱光源，搭配脉冲选择器和VARIA滤波器，脉冲选择器重复频率为8 MHz，滤波器设置到530-534 nm的激发波段。（b），（c）表示的是与（a）中光致发光图对应的NV体系和WSe2薄片的荧光寿命图。实验中，始终能观察到WSe2薄片下面NV色心荧光寿命的减少，与此相对的是，WSe2薄片之间的NV色心总寿命达到12ns。请注意图（b）中的色标方向是反的。通过这种方式，可以清晰的显示从NV色心到WSe2的能量转移（摘自参考文献[4]）。

超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超连续谱激光器，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光学可寻址自旋态等特性，使其可用于各种物理量的传感[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的传感方法。

利用NV色心的偶极特性以及较宽的光发射带，可以验证NV色心与附近其他偶极子的能量转移。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。

Jun.-Prof. Dr. Elke Neu-Ruffing

Technische Universität Kaiserslautern

Phone: +49 (0)681 205-5788

nruffing(at)rhrk.uni-kl.de

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).

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金刚石NV色心

氮空位色心(NV色心)属于金刚石中的点缺陷之一，其为人们熟知和利用的特性是光致发光。单个的NV色心，特别是处于负电荷状态(NV-)时，其光致发光可以被轻易的探测到。

通过施加磁场、电场、微波辐射、光照或以上方式的组合，可以操纵NV色心中的电子自旋态，从而大大的改变光致发光的强度和波长。

单独的NV色心可被看作量子计算的基本单元，使其在电子学和计算科学的前沿领域，包括量子密码学和自旋电子学中有着潜在的应用价值。