[논문 리뷰] Optically detected magnetic resonance of nitrogen vacancies in a diamond anvil cell using designer diamond anvils

L. Steele, Matthew Lawson외 12명|arXiv (Cornell University)|2017. 09. 11.

Diamond and Carbon-based Materials Research인용 수 3

한 줄 요약

이 연구는 설계된 다이아몬드 압력판에 레이저 조사된 금속성 마이크로채널을 통합 마이크로파 안테나로 사용하여 다이아몬드 압력판 세포(DAC) 내에서 마이크로다이아몬드 내 질소빈란(V⁻) 중심의 광학적 탐지 자기공명(ODMR)을 수행한다. 이 방법은 가열을 억제하고 비도전성 가스켓이 필요 없으며, 선형 압력 의존성의 제로필드 분리 파arameter D를 11.72 ± 0.68 MHz/GPa의 기울기로 실현함으로써, 전자구조 계산 결과를 검증하고 NV 기반의 압력계로의 응용 가능성을 제시한다.

ABSTRACT

Optically detected magnetic resonance of nitrogen vacancy centers in diamond offers novel routes to both DC and AC magnetometry in diamond anvil cells under high pressures ($>3$ GPa). However, a serious challenge to realizing experiments has been the insertion of microwave radiation in to the sample space without screening by the gasket material. We utilize designer anvils with lithographically-deposited metallic microchannels on the diamond culet as a microwave antenna. We detected the spin resonance of an ensemble of microdiamonds under pressure, and measure the pressure dependence of the zero field splitting parameters. These experiments enable the possibility for all-optical magnetic resonance experiments on sub-$μ$L sample volumes at high pressures.

연구 동기 및 목표

• 기존 유도 코ils이 샘플 부피와 가스켓 제약으로 인해 실용적이지 않은 고압 다이아몬드 압력판 세포(DAC)에서 마이크로파 커플링 문제를 해결하기 위해.
• 비도전성 가스켓 재료에 의존하지 않고, 고압(최대 8 GPa) 조건에서 마이크로다이아몬드 내 V⁻ 중심의 광학적 탐지 자기공명(ODMR)을 수행하기 위한 방법을 개발하기 위해.
• 다이아몬드 압력판에 통합 마이크로파 안테나를 적용하여, 극한의 압력 조건에서 1 μL 미만의 샘플 부피에서 고감도 광학적 자기계측을 실현하기 위해.
• NV⁻ 중심에서 제로필드 분리(ZFS) 파arameter D와 E의 압력 의존성을 측정하여, 압력계로의 잠재적 응용을 위해.

제안 방법

• culet 표면에 광학적으로 증착된 5 μm 너비의 동심 금속성 마이크로채널을 갖춘 설계된 다이아몬드 압력판이 ODMR 자극을 위한 통합 마이크로파 안테나로 기능한다.
• 1 mm culet 직경과 MP35N 스틸 하우징을 갖춘 다이아몬드 압력판 세포(DAC)를 사용하였으며, 압력은 4-40 볼트를 통해 가하고 루비 형광을 통해 측정하였다.
• confocal 현미경과 HR4000 스펙트로미터를 사용하여 V⁻ 중심 스핀 상태의 광학적 탐지를 수행하였으며, 마이크로파 주파수를 스캔하여 공명 전이를 탐지하였다.
• 제로필드 분리를 모델링하기 위해 스핀 해밀토니안 H = D(Ŝ_z² - S(S+1)/3) + E(Ŝ_x² - Ŝ_y²) 를 사용하였으며, D와 E는 ODMR 스펙트럼에 대한 로렌츠 피팅을 통해 추출하였다.
• 마이크로다이아몬드(1–10 μm)를 V⁻ 중심을 포함한 샘플로 사용하였으며, 마이크로파 주파수 및 압력에 따른 형광 강도를 모니터링하였다.
• 압력 캘리브레이션은 루비 형광을 사용하였으며, 압력 매체(Daphne 7373)는 고체화 효과를 모니터링하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 다이아몬드 압력판에 통합된 마이크로파 안테나가 가스켓 관련 신호 열화 없이 고압 DAC 내 V⁻ 중심의 ODMR를 가능하게 하는가?
• RQ2 고압 조건에서 마이크로다이아몬드 내 V⁻ 중심의 제로필드 분리 파arameter D의 압력 의존성은 어떠한가?
• RQ3 응력 파arameter E는 압력에 따라 측정 가능한 변화를 보이는가? 이는 국소 대칭성 또는 응력장의 변화를 시사하는가?
• RQ4 V⁻ 중심의 ODMR 반응은 고압 실험에서 루비 형광을 대체할 수 있는 신뢰할 수 있는 압력계로 기능할 수 있는가?
• RQ5 샘플 환경(예: 압력 매체 고체화)이 V⁻ 중심의 선폭 및 스펙트럼 특성에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 제로필드 분리 파arameter D는 11.72 ± 0.68 MHz/GPa의 기울기로 압력에 따라 선형적으로 증가하며, 전자구조 계산 결과와 일치하며, 이전에 보고된 타입 IIa 다이아몬드의 값보다 낮다.
• 응력 파arameter E는 압력에 따라 유의미한 변화를 보이지 않아, 압축 조건에서 V⁻ 중심 주변의 국소 대칭성이 최소한으로 변화함을 시사한다.
• 선폭 넓어짐은 0.8 MHz/GPa의 비율로 압력 증가와 함께 증가하며, 비정수성 응력 조건과 함께 압력 변동 δP/P ≈ 6%를 나타낸다.
• 선폭 넓어짐의 시작 시점은 약 2.2 GPa에서 Daphne 7373 압력 매체의 고체화 예측 시점과 일치하여, 상전이에 따라 응력 비균일성이 발생함을 시사한다.
• 압력 증가에 따라 V⁻ 더블렛의 상대 강도가 변화하며, 이는 압력 매체 고체화에 따라 비균일한 응력장이 형성됨을 나타낸다.
• 단일 마이크로다이아몬드의 ODMR를 관측하여, 고압 조건에서 벡터 자기계측 및 표면 핵 스핀 탐지의 잠재적 응용 가능성을 제시한다.