[論文レビュー] Optical levitation of high purity nanodiamonds in vacuum without heating

Angelo Frangeskou, Anisur Rahman+5 more|arXiv (Cornell University)|Aug 16, 2016

Diamond and Carbon-based Materials Research参考文献 50被引用数 21

ひとこと要約

本研究では、超高純度な化学気相成長（CVD）ダイヤモンドから窒素・ボイド欠陥（NV⁻）を含むナノダイヤモンドをミリングすることで、加熱を伴わず真空中での光学的浮上を実証した。主な結果として、700 GW/m²を超えるレーザー強度および5 mbar未満の圧力下でも、これらのナノダイヤモンドがほぼ室温を維持することを確認した。これにより、従来は熱損傷によって制限されていた高真空中の実験が可能になった。

ABSTRACT

Levitated nanodiamonds containing nitrogen vacancy centres in high vacuum are a potential test bed for numerous phenomena in fundamental physics. However, experiments so far have been limited to low vacuum due to heating arising from optical absorption of the trapping laser. We show that milling pure diamond creates nanodiamonds that do not heat up as the optical intensity is raised above 700 GW/m$^2$ below 5 mbar of pressure. This advance now means that the level of attainable vacuum for nanodiamonds in optical dipole traps is no longer temperature limited.

研究の動機と目的

• 光学的浮上によるナノダイヤモンドの熱的加熱制限を克服し、これまで低真空中での実験に限定されていた分野を高真空中に拡張すること。
• 市販ナノダイヤモンドに含まれる窒素欠陥および表面不純物が、光学的吸収および加熱の主な原因であることを同定すること。
• 超高純度CVDダイヤモンドをミリングすることで、吸収が極めて小さいナノダイヤモンドが得られ、高真空中での安定浮上が可能になることを実証すること。
• 熱的モデルに基づき、さまざまなナノダイヤモンド純度グレードにおける到達可能な真空中圧力の上限を特定すること。
• 高真空中かつ低熱雑音を要する今後の高精度な量子実験を可能にするための基盤を確立すること。

提案手法

• 高純度・低窒素のCVD成長ダイヤモンドをミリングし、窒素・ボイド欠陥（NV⁻）を最小限に抑えたナノダイヤモンドを生成すること。
• 集束レーザービームを用いた光学ダイポールトラップ（光学ピンセット）を用いて、200 nm未満のナノダイヤモンドを真空中で浮上させること。
• レイノルズ散乱近似と調和的トラップモデルを用いて光学ポテンシャルを記述し、ばね定数 $ k_{\text{trap}} = 4\tau^3 \frac{\rho P}{c \rho_0} \frac{(\text{N.A.})^4}{\rho^4} $ を用いる。ここで $ \rho $ は分極率、$ P $ はレーザー出力、N.A. は数値孔径、$ c $ は光速、$ \rho_0 $ は真空中の誘電率を表す。
• レーザー熱量測定データと吸収係数を用いて温度上昇をモデル化し、上界温度を $ T_{\text{max}} \rightarrow T_0 + \frac{I \beta}{\rho c_p} $ から導出する。ここで $ I $ は強度、$ \beta $ は吸収係数、$ \rho $ は密度、$ c_p $ は比熱を表す。
• 重心運動の測定により、低圧下での加熱効果および損失メカニズムを特定すること。
• 中程度の真空中における加熱およびトラップ不安定性の理論モデルと、実験結果を比較すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 CVDダイヤモンドから得た高純度ナノダイヤモンドは、高レーザー強度下でも真空中で顕著な加熱を伴わず光学的浮上が可能か？
• RQ2 従来の実験で用いられた市販ナノダイヤモンドにおける加熱の主な原因となる光学的吸収源は何か？
• RQ3 ナノダイヤモンド中の窒素欠陥濃度を低減することで、光学的トラップ下での加熱はどの程度低減可能か？
• RQ4 熱的および力学的安定性に基づいて、ナノダイヤモンドの安定浮上が可能な最大到達真空中圧力はどの程度か？
• RQ5 表面効果およびナノスケールの形態が、バルクダイヤモンドと比較してナノダイヤモンドにおける光学的吸収および熱応答に与える影響は何か？

主な発見

• CVDダイヤモンドからミリングした高純度ナノダイヤモンドは、700 GW/m²を超えるレーザー強度および5 mbar未満の圧力下でも顕著な加熱を示さず、高真空中での安定な光学的浮上が可能である。
• 市販ナノダイヤモンドにおける加熱の主な原因は窒素関連欠陥（N₀ₛ⁰）であり、吸収係数は最大30 cm⁻¹に達するが、ミリングされたCVDナノダイヤモンドの吸収係数は ≤ 0.03 cm⁻¹ にまで低下する。
• モデル化により、20 nmナノダイヤモンドが60 GW/m²で照射される場合、1 mbarから0.001 barの圧力範囲で温度上昇が無視できる程度（室温より10 K未満）であることが確認され、高真空中実験の実現可能性が裏付けられた。
• 理論的上限は、窒素濃度20–30 ppb（低吸収グレード）のナノダイヤモンドが10⁻⁴ mbarまで、電子グレードダイヤモンド（≤5 ppb N₀ₛ⁰）が10⁻⁵ mbarまで耐えられることを示唆している。
• 1 mbar未満でナノダイヤモンドが急激にトラップから放出される現象は、熱的要因ではなく、減衰の低下と保存力でない散乱力に起因すると特定され、加熱は顕著でないことが確認された。
• NV⁻中心のスピン量子もつれ寿命（T₂*）は、600 Kまでの温度でも1 μsを超えて維持され、高温下でもスピン読み出しの可能性が保証されているが、本研究では低加熱のため観測されなかった。