[논문 리뷰] Effect of surface oxidation on electron spin coherence of single nitrogen-vacancy centers in nanodiamonds

Ryuta Tsukahara, Masazumi Fujiwara외 7명|arXiv (Cornell University)|2018. 11. 06.

Diamond and Carbon-based Materials Research참고 문헌 72인용 수 9

한 줄 요약

이 연구는 나노다이아몬드(NDs) 내 질소빈약(NV) 중심에서 표면 산화가 전자 스핀 공명에 미치는 영향을 조사한다. 다양한 매개변수를 가진 산소를 이용한 산화와 산성 산화 처리를 적용함으로써, 저자들은 산소를 이용한 산화가 미처리된 NDs에 비해 스핀 공명 시간(T₂)을 1.6배 향상시키는 데 가장 효과적임을 입증한다. T₂의 나노다이아몬드 크기 의존성은 표면 산화가 크기와 무관한 분산 기여를 제거하는 반면, 50 nm 이하에서는 새로운 크기 의존성 분산 기여가 나타남을 보여주며, NV 기반 양자 기술의 최적화에 중요한 통찰을 제공한다.

ABSTRACT

Fluorescent nanodiamonds (NDs) are crystal defect-based light-emitting nanoparticles that can be applied to quantum information science and quantum sensing. Of particular interest are nitrogen vacancy (NV) centers that allow optical access to their coherently controllable electron spin systems, leading to spin-photon quantum devices and nanoscale sensing of various physical parameters. However, the NV spin coherence time (T2) in NDs has been limited to one or two orders of magnitude shorter than those in bulk diamonds owing to the complicated surface effect that decoheres the NV spin systems. Here, we study the relation between the surface properties and T2 of single NV centers in NDs by systematically analyzing the effect of surface oxidation. We apply aerobic and acidic oxidation methods with various heating temperatures and processing times and find that aerobic oxidation most effectively oxidizes the surface and extends T2 by a factor of 1.6 to the original NDs. The ND-size dependence of T2 clearly shows that the surface oxidation removes a constant decoherence contribution irrespective of the ND size and that a new surface derived decoherence source emerges when the ND size reduces below 50 nm. The present results provide quantitative information on the decoherence sources of NV spin systems of NDs and will enable a strategic surface modification for better spin manipulations of NV centers in the context of quantum information science and nanoscale quantum sensing.

연구 동기 및 목표

• 나노다이아몬드 내 단일 NV 중심의 전자 스핀 공명(T₂)에 대한 표면 산화의 영향을 이해하기 위해.
• 나노다이아몬드 내 표면 효과로 인한 주요 분산 기여를 특정하고 정량화하기 위해.
• 산성 및 산소를 이용한 산화와 같은 다양한 산화 방법이 표면 화학과 스핀 공명에 미치는 영향을 규명하기 위해.
• 특히 50 nm 이하에서 산화된 나노다이아몬드의 T₂ 크기 의존성 행동을 명확히 하기 위해.
• 양자 정보 및 센싱 응용 분야에서 T₂를 향상시키기 위한 전략적 표면 공학을 위한 정량적 기초를 제공하기 위해.

제안 방법

• 다양한 온도와 시간를 가진 산소를 이용한 산화와 산성 산화 처리를 나노다이아몬드에 체계적으로 적용하기 위해.
• 표면 화학과 종단기를 분석하기 위해 X선 광전자 분광법(XPS)과 파형-변환 적외선(FTIR) 분광법을 사용하여 표면 특성 분석을 수행하기 위해.
• 공명 광학 현미경을 통해 단일 NV 중심을 탐지하고, 두 번째 순서 상관 히스토GRAM을 통해 광자 반구성을 확인하기 위해.
• 스핀-에코 시퀀스를 사용한 퉁성 광학적으로 검출된 자기공명(ODMR)을 통해 스핀 공명 시간(T₂) 측정을 수행하기 위해.
• 다양한 크기(50 nm 및 90 nm)의 나노다이아몬드 내 여러 개의 NV 중심에서 T₂를 통계적으로 분석하여 크기 및 표면 의존성 분산 효과를 분리하기 위해.
• 단일 광자 방출을 탐지하고 T₂를 측정하기 위해 애벌랜치 포토다이오드 및 시간 연계 단일 광자 카운팅을 사용한 한버리-브라운-트위스 장치를 사용하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 산소를 이용한 산화와 산성 산화가 나노다이아몬드 내 NV 중심의 전자 스핀 공명 시간(T₂) 향상에 있어 어떻게 비교되는가?
• RQ2 단일 NV 중심에서 표면 산화 상태와 T₂ 사이의 정량적 관계는 무엇인가?
• RQ3 산화 후 나노다이아몬드 크기가 다를 경우 표면 효과로 인한 분산 기여는 일정하게 유지되는가?
• RQ4 어느 나노다이아몬드 크기에서 새로운 표면 기반 분산 기여가 나타나며, 이는 T₂에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ5 표면 산화를 통해 나노다이아몬드의 크기와 무관한 표면 분산과 크기 의존성 기여를 분리할 수 있는가?

주요 결과

• 산소를 이용한 산화는 산화되지 않은 샘플에 비해 나노다이아몬드 내 NV 중심의 스핀 공명 시간(T₂)을 1.6배 향상시킨다.
• 표면 산화는 크기와 무관한 분산 기여를 효과적으로 제거한다.
• 나노다이아몬드 크기가 50 nm 이하로 감소할 경우 새로운 표면 기반 분산 기여가 나타나며, 이는 크기 의존성 표면 효과를 시사한다.
• T₂ 향상 효과는 산소를 이용한 조건에서 가장 뛰어나지며, 이는 산성 처리에 비해 표면 산화 효율성이 뛰어나다는 것을 시사한다.
• XPS 및 FTIR 분석 결과, 산소를 이용한 산화가 sp² 유사 탄소 종단기를 특히 효과적으로 제거함을 확인한다.
• 여러 개의 NV 중심에서 T₂를 통계적으로 분석한 결과, 표면 산화가 분산을 감소시키며, 50 nm 이하에서 명확한 크기 의존성 전이가 관찰됨을 확인한다.