[論文レビュー] Imaging the local charge environment of nitrogen-vacancy centers in diamond

Thomas Mittiga, Satcher Hsieh+9 more|Sep 5, 2018

Diamond and Carbon-based Materials Research被引用数 4

ひとこと要約

本稿は、窒素空位（NV）中心のゼロ磁場磁気共鳴スペクトルにおいて、局所的電場が格子ひずみよりも支配的であることを示している。著者らは、マイクロスコピックな電荷モデルを構築し、マイクロ波駆動によるダーク状態分光法を用いることで、ODMR信号における偏光依存性の振幅不均衡を介して、個々の電荷を約5 nmの分解能でナノスケールで局在化し、単一欠陥分解辨でベクトル電場を高精度に再構成することに成功した。

ABSTRACT

Characterizing the local internal environment surrounding solid-state spin defects is crucial to harnessing them as nanoscale sensors of external fields. This is especially germane to the case of defect ensembles which can exhibit a complex interplay between interactions, internal fields and lattice strain. Working with the nitrogen-vacancy (NV) center in diamond, we demonstrate that local electric fields dominate the magnetic resonance behavior of NV ensembles at low magnetic field. We introduce a simple microscopic model that quantitatively captures the observed spectra for samples with NV concentrations spanning over two orders of magnitude. Motivated by this understanding, we propose and implement a novel method for the nanoscale localization of individual charges within the diamond lattice; our approach relies upon the fact that the charge induces an NV dark state which depends on the electric field orientation.

研究の動機と目的

• ゼロ磁場NVアンサンブル磁気共鳴スペクトルにおけるスペクトル幅と分裂の主因を特定すること。
• 特に高密度NV系において、局所的電荷環境がNVスピン共鳴行動に与える影響を理解すること。
• NV中心周辺の個々の電荷を、それらがNVスピン状態に及ぼす電場効果を用いてナノスケールで画像化する手法を開発すること。
• 偏光依存性マイクロ波遷移振幅を測定することで、NV中心におけるベクトル電場を高精度に再構成すること。
• 局所的電荷効果を考慮することで、低磁場およびゼロ磁場領域におけるNVベース量子センシングの性能向上に寄与するフレームワークを提供すること。

提案手法

• 近接する電荷からのランダムな局所的電場を考慮したマイクロスコピック電荷モデルを構築し、2桁のNV濃度スケールにわたる観測されたODMRスペクトルを定量的に説明した。
• 単一NV中心の|m_s = 0⟩状態と電場分裂した|±⟩状態間の遷移振幅を測定するために、光学的検出磁気共鳴（ODMR）を用いた。
• 偏光角φ_MWを変調可能な線形偏光マイクロ波場を用い、遷移振幅A_+とA_-の不均衡を介して電場の向きφ_Eをプローブした。
• 不均衡I = (A_+ - A_-)/(A_+ + A_-)を定義し、I ∝ -cos(2φ_MW + φ_E)の関係に従うことを示し、実験データからφ_Eを抽出可能とした。
• 測定された分裂（Π_z = 30(50) kHz, Π_⊥ = 650(10) kHz）と位相オフセット（φ_E = 124(5)°）を組み合わせ、NV中心における完全なベクトル電場を再構成した。
• 長期的なモニタリングを実施し、電場の安定性を確認した。これにより、静的な電荷源であり、信頼性の高い信頼性マップを用いて電荷を約5 nm以内に局在化した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ゼロ磁場ODMRスペクトルにおけるNVアンサンブルのスペクトル分裂の主因は、格子ひずみか局所的電場か？
• RQ2 NV中心周辺の局所的電荷は、磁気共鳴遷移振幅およびその偏光依存性にどのように影響を与えるか？
• RQ3 マイクロ波の偏光調整を用いたODMR測定から、単一NV中心におけるベクトル電場を再構成できるか？
• RQ4 この手法を用いた場合、個々の電荷の局在化における空間分解能と信頼性はどの程度か？
• RQ5 局所的電場の存在は、NV中心の磁気ノイズに対する耐性および量子センシングにおける応用性にどのように影響を与えるか？

主な発見

• ゼロ磁場ODMRスペクトルにおけるNVアンサンブルのスペクトル分裂の主因は、格子ひずみではなく局所的電場である。
• 2桁のNV濃度スケールにわたる観測されたODMRスペクトルは、ランダムな局所的電場を組み込んだマイクロスコピック電荷モデルによって定量的に再現された。
• 単一NV中心の|m_s = 0⟩ ↔ |±⟩遷移における振幅不均衡は、マイクロ波の偏光と電場の向きの相対的な角度に依存し、I ∝ -cos(2φ_MW + φ_E)の関係に従う。
• 電場の向きφ_Eは124(5)°として抽出され、電場の大きさはΠ_z = 30(50) kHzおよびΠ_⊥ = 650(10) kHzとして再構成され、単一の静的電荷と整合的であった。
• 電荷は約5 nmの範囲内で高い信頼性で局在化され、数か月にわたる測定で明確なドリフトは観察されず、安定した局所的電荷源であることが示された。
• 本手法により、ダイヤモンドにおける個々の電荷のナノスケール画像化が可能となり、ベクトル電場分解能を有する。これにより、量子センシングおよび欠陥工学分野における新たな道筋が開かれた。