[논문 리뷰] Creation of ensembles of nitrogen-vacancy centers in diamond by neutron and electron irradiation

Tobias Nöbauer, K. Buczak외 8명|arXiv (Cornell University)|2013. 09. 02.

Diamond and Carbon-based Materials Research참고 문헌 2인용 수 12

한 줄 요약

이 연구는 중성자 및 전자 조사에 의한 다이아몬드 내에서 질소빈약(NV⁻) 중심의 고밀도, 고품질 앙상블을 구축하는 데 성공하였으며, 양자 기술 응용을 위한 최적화를 수행하였다. 특히 중성자 선량(~10¹⁷ cm⁻²)과 전자 선량(~10¹⁸ cm⁻²) 등의 조사 조건을 조절하고, 현장에서의 열처리를 실시함으로써, 최대 약 4.7×10¹⁸ cm⁻³의 높은 NV⁻ 밀도와 6 MHz까지 좁은 스핀 공명 피크 너비를 달성하였으며, 이는 자력측정 및 하이브리드 양자 시스템 응용에 기여한다.

ABSTRACT

We created dense ensembles of negatively charged nitrogen-vacancy (NV-) centers in diamond by neutron and electron irradiation for applications in hybrid quantum systems and magnetometry. We characterize fluorescence intensity, optical and coherence properties of the resulting defects by confocal microscopy, UV/Vis and FTIR spectroscopy, optically detected magnetic resonance and small angle X-ray scattering. We find the highest densities of NV- at neutron fluences on the order of 10^17 cm^-2 and electron doses of 10^18 cm^-2, with spin resonance linewidths of 6 MHz. Lower electron energies increase the ratio of centers in the desired negative charge state to those in the neutral one. Annealing at 900 °C during the irradiation reduces the spin resonance linewidth. Electron irradiation furthermore results in substantially higher optical transparency compared to neutron irradiation.

연구 동기 및 목표

• 양자 기술 응용을 위한 다이아몬드 내에서 음이온성 질소빈약(NV⁻) 중심의 고밀도, 고품질 앙상블을 구축하기 위한 방법 개발.
• NV⁻ 밀도를 극대화하면서 비균일 스핀 공명 피크 너비를 최소화하는 데 최적화된 조사 조건 규명.
• 광학적 투과성, 결함 생성 효율성, 전하 상태 비율 측면에서 중성자 조사와 전자 조사를 비교 분석.
• 조사 중 현장에서의 열처리가 스핀 디코herence 및 광학 품질 향상에 미치는 영향 평가.
• 초민감한 자력측정 및 하이브리드 양자 시스템(HQS) 응용을 위한 최적의 재료 특성 제공.

제안 방법

• 중성자 빔(선량 최대 약 ~2.2×10¹⁸ cm⁻²)과 전자 빔(선량 최대 약 ~1.8×10¹⁸ cm⁻²)를 이용해 질소 농도가 다른 Type Ib 및 Type IIa 합성 다이아몬드 시료를 조사.
• 전자 조사 중 900 °C에서의 현장에서의 열처리를 실시하여 격자 복구를 촉진하고 결함에 의한 피크 너비 증가를 감소시킴.
• 형광 강도 및 공간 분포 측정을 위해 공명형 현미경을 사용하여 NV⁻ 중심 특성 분석.
• 자외선/가시광선 및 FTIR 분광법을 활용해 광학 흡수 및 결함 관련 흡수 특성 분석.
• 광학적으로 탐지된 자기공명(ODMR)을 통해 스핀 공명 피크 너비 측정; 피크 너비는 T₂* 디코herence 시간으로 기재.
• 소각도 X선 산란(SAXS)을 사용해 조사에 의해 유도된 결함 클러스터를 정량화하고 광학적 및 스핀 특성과 연관 분석.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 어떤 중성자 및 전자 조사 선량/선량이 NV⁻ 중심의 밀도를 극대화하면서도 스핀 공명 피크 너비를 최소화하는가?
• RQ2 전자 조사 중 현장에서의 열처리가 NV⁻ 중심의 비균일한 피크 너비 및 광학 투과성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 NV⁻ 수율, 전하 상태 비율(NV⁻ 대 NV⁰), 광학 품질 측면에서 중성자 조사와 전자 조사의 상대적 성능은 어떠한가?
• RQ4 초기 질소 농도와 다이아몬드 종류(HPHT 대 CVD)가 최종 NV⁻ 밀도 및 스핀 공명 시간에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 고밀도 NV⁻ 중심에서 조사 손상이 광학 대비 및 스핀 극화 효율을 얼마나 감소시키는가?

주요 결과

• 최고의 NV⁻ 밀도(~4.7×10¹⁸ cm⁻³)는 중성자 선량 약 ~10¹⁷ cm⁻²에서 달성되었으며, 스핀 공명 피크 너비는 최소 6 MHz까지 좁아졌다.
• 전자 선량 약 ~10¹⁸ cm⁻²에서의 조사로도 유사한 NV⁻ 밀도를 확보하였고, 중성자 조사 시료보다 광학 투과성이 향상되었다.
• 전자 조사 중 900 °C에서의 현장 열처리로 스핀 공명 피크 너비가 850 kHz–1 MHz로 감소하여 격자 복구 효과가 뚜렷하게 나타났다.
• 낮은 전자 에너지는 NV⁻ 대 중성 NV⁰ 중심의 비율을 증가시켜 원하는 스핀 활성 결함 비율을 높였다.
• Sumitomo HPHT 다이아몬드의 시료 J6는 낮은 초기 질소 농도에도 불구하고 피크 너비가 상당히 낮았음(42.9 ns, 약 6 MHz), 이는 재료 조성의 영향으로 인한 결함 균일성 향상 가능성을 시사한다.
• 소각도 X선 산란(SAXS) 분석을 통해 조사에 의해 유도된 결함 클러스터 존재를 확인하였고, 이는 광학적 및 스핀 특성과 연관되어 있어 구조적 손상과 피크 너비 증가 간의 인과관계를 뒷받침한다.