[论文解读] Correlated spectroscopy of electric noise with color center clusters

Tom Delord, Richard Monge+1 more|arXiv (Cornell University)|Jan 15, 2024

Diamond and Carbon-based Materials ResearchMaterials Science被引用 3

一句话总结

本研究提出一种基于金刚石中氮空位（NV）中心的关联光谱技术，用于测绘彩色中心簇周围的电噪声和电荷陷阱。通过同步监测多个NV中心并分析光谱扩散的相关性，作者能够确定性地识别出静电耦合的发射体，并精确确定邻近陷阱的三维位置及其电荷符号，实现纳米尺度分辨率。

ABSTRACT

Experimental noise often contains valuable information on the interactions of a system with its environment but establishing a relation between the measured time fluctuations and relevant physical observables is rarely apparent. Here, we leverage a multi-dimensional and multi-sensor analysis of spectral diffusion to investigate the dynamics of carriers in charge traps surrounding color center clusters in diamond. Working with nitrogen-vacancy (NV) centers sharing the same diffraction-limited volume, we establish statistical correlations in the spectral changes we measure as we recursively probe the optical resonances of the cluster, which we subsequently exploit to unveil proximal traps. By simultaneously co-monitoring the spectra of multiple NVs in the set, we show the ability to deterministically induce Stark shifts in the observed optical resonances, hence allowing us to identify electrostatically coupled sets of emitters. These cross-correlated measurements allow us to determine the relative three-dimensional positions of interacting NVs in a cluster as well as the location and charge sign of proximal traps. Our results can be generalized to other color centers and open intriguing opportunities for the microscopic characterization of photo-carrier dynamics in semiconductors and for the manipulation of nanoscale spin-qubit clusters connected via electric fields.

研究动机与目标

• 开发一种利用多个色心之间相关测量来探测固态系统中电噪声的方法。
• 解决将时域光谱涨落与量子系统中潜在环境相互作用相关联的挑战。
• 识别并表征影响NV中心簇光学共振的邻近电荷陷阱。
• 通过斯塔克位移工程实现对静电耦合自旋量子比特簇的确定性操控与定位。
• 将该方法推广至研究半导体和纳米尺度自旋系统中的光生载流子动力学。

提出的方法

• 利用衍射受限的氮空位（NV）中心阵列，同时监测色心簇中各处的光学共振。
• 通过递归探测色心簇的光学共振，提取光谱扩散动力学中的统计相关性。
• 施加外部电场以在NV中心跃迁中诱导受控的斯塔克位移，实现光谱响应的交叉相关分析。
• 分析多个NV传感器之间的交叉相关性，推断邻近电荷陷阱的存在及其静电耦合特性。
• 利用相对光谱位移和相关性模式，重建邻近陷阱的三维空间分布及其电荷符号。
• 利用多传感器、多维光谱分析方法，将复杂环境噪声与本征系统动力学分离。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何通过多个NV中心之间的关联光谱测量揭示色心簇中隐藏的静电相互作用？
• RQ2 影响NV中心光学共振的邻近电荷陷阱的空间分布及其电荷符号是什么？
• RQ3 是否可利用确定性的斯塔克位移识别并绘制静电耦合的NV中心集合？
• RQ4 光谱扩散相关性如何实现对纳米尺度环境噪声特性的提取？
• RQ5 该方法在多大程度上可推广至其他色心及半导体系统？

主要发现

• 作者通过交叉相关光谱测量成功识别出静电耦合的NV中心簇，展示了可重复且确定性的光谱位移。
• 通过分析多个NV传感器之间的光谱扩散相关性，实现了对邻近电荷陷阱的三维纳米尺度精确定位。
• 通过诱导斯塔克位移的极性确定了邻近陷阱的电荷符号，实现了无歧义的识别。
• 该方法揭示，色心簇中的光谱涨落源于与少数几个主导电荷陷阱的集体相互作用，而非随机环境噪声。
• 该技术可实现受控电场的工程化，通过斯塔克位移探测和操控自旋量子比特簇。
• 该方法具有普适性，可推广至其他色心，并可用于在纳米尺度研究半导体中的光生载流子动力学。