[论文解读] Persistence of Single Spin Coherence above 600K in Diamond

D.M. Toyli, David J. Christle+4 more|arXiv (Cornell University)|Jan 21, 2012

Diamond and Carbon-based Materials Research参考文献 1被引用 5

一句话总结

本研究证明，金刚石中的单个氮空位（NV）中心在高达625 K的温度下仍能保持相干自旋控制，其非均匀自旋退相干时间（T₂*）保持与温度无关，因而具有作为纳米尺度温度计的潜在应用。荧光自旋读出在550 K以上失效，原因在于非辐射过程，且电子结构计算表明E–A1态能级差约为0.8 eV。

ABSTRACT

We study the spin and orbital dynamics of single nitrogen vacancy (NV) centers in diamond between room temperature and 700 K. We find that the ability to optically address and coherently control single spins above room temperature is limited by nonradiative processes that quench the NV center’s fluorescence-based spin readout between 550 K and 700 K. Combined with electronic structure calculations, our measurements indicate that the energy difference between the E and A1 electronic states is ∼0.8 eV. We also find that the inhomogeneous spin lifetime (T ∗ 2 ) is independent of temperature up to at least 625 K, suggesting that single NV centers could be applied as nanoscale thermometers over a broad temperature range.

研究动机与目标

• 研究高温下金刚石中氮空位（NV）中心单自旋相干性的持久性。
• 识别限制室温以上光学自旋读出的物理机制。
• 确定单个NV中心自旋相干时间（T₂*）的温度依赖性。
• 将实验观测结果与电子结构计算相关联，以理解电子态在自旋退相干中的作用。

提出的方法

• 在室温至700 K的温度范围内，对金刚石中单个NV中心进行光学激发与读出。
• 利用脉冲微波与激光技术测量非均匀自旋相干时间（T₂*）。
• 通过电子结构计算估算NV中心E态与A1态之间的能级差。
• 分析荧光强度与衰减动力学，以识别导致自旋读出淬灭的非辐射过程。
• 对比温度依赖的T₂*值，评估自旋相干性的稳定性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在金刚石中，NV中心能维持单自旋相干性的最高温度是多少？
• RQ2 导致NV中心在550 K以上荧光基自旋读出失效的原因是什么？
• RQ3 在625 K以下，非均匀自旋相干时间（T₂*）如何随温度变化？
• RQ4 NV中心的E与A1电子态之间的能级差是多少？该差值如何影响自旋动力学？

主要发现

• 单个NV中心的非均匀自旋相干时间（T₂*）在至少625 K的温度范围内保持与温度无关。
• 荧光基自旋读出在550 K至700 K之间因非辐射过程导致NV中心荧光淬灭而失效。
• NV中心的E与A1电子态之间的能级差估计约为0.8 eV。
• T₂*的温度独立性表明，单个NV中心可在宽温度范围内作为鲁棒的纳米尺度温度计使用。