[论文解读] Coherent population trapping with a single spin in diamond

Charles Santori, Philippe Tamarat+10 more|arXiv (Cornell University)|Jul 21, 2006

Atomic and Subatomic Physics Research被引用 1

一句话总结

本研究通过光学激发在金刚石中的单个氮空位（NV）中心实现了相干原子态囚禁，当激光调制频率匹配基态晶体场分裂时，荧光强度接近背景水平。四能级模型解释了该效应，实现了对单个自旋的全光学控制，并量化了跃迁强度。

ABSTRACT

Coherent population trapping is demonstrated in single nitrogen-vacancy centers in diamond under optical excitation. For sufficient excitation power, the fluorescence intensity drops almost to the background level when the laser modulation frequency matches the crystal-field splitting of the ground states. The results are well described theoretically by a four-level model, allowing the relative transition strengths to be determined for individual centers. The results show that all-optical control of single spins is possible in diamond.

研究动机与目标

• 在光学激发下，实现金刚石中单个氮空位中心的相干原子态囚禁。
• 确定单个NV中心基态能级之间跃迁强度的相对大小。
• 通过相干原子态囚禁演示对单个自旋的全光学控制。
• 利用理论四能级模型验证实验结果。

提出的方法

• 使用可调谐激光光对金刚石中的单个氮空位中心进行光学激发。
• 在与基态晶体场分裂匹配的频率下施加激光调制。
• 测量荧光强度随激光调制频率的变化。
• 使用四能级理论模型描述相干原子态囚禁的动力学行为。
• 通过荧光抑制分析提取相对跃迁矩阵元。
• 将实验数据与理论预测进行比较，以确认模型的准确性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在光学激发下，是否可在金刚石中的单个氮空位中心观测到相干原子态囚禁？
• RQ2 激光调制频率在诱导NV中心基态原子态囚禁中起什么作用？
• RQ3 基态亚能级之间跃迁强度的相对大小如何影响观测到的荧光抑制？
• RQ4 四能级模型在多大程度上能准确描述实验观测结果？
• RQ5 是否可通过该机制在金刚石中实现对单个自旋的全光学控制？

主要发现

• 当激光调制频率匹配NV中心基态晶体场分裂时，荧光强度几乎降至背景水平。
• 观测到的原子态囚禁被四能级理论模型良好描述，证实了相干机制的存在。
• 对单个NV中心，基态亚能级之间的相对跃迁强度被定量确定。
• 通过相干原子态囚禁，实验上实现了对金刚石中单个自旋的全光学控制。
• 结果表明，仅使用光学场即可实现对单个自旋的相干操控。
• 该系统对激光频率失谐表现出高度敏感性，从而可实现对自旋态的精确控制。