[论文解读] Enhanced widefield quantum sensing with nitrogen-vacancy ensembles using diamond nanopillar arrays

Daniel J. McCloskey, N. Dontschuk+7 more|arXiv (Cornell University)|Feb 7, 2019

Diamond and Carbon-based Materials Research参考文献 26被引用 3

一句话总结

本文提出通过在金刚石纳米柱阵列中引入高密度、近表面的氮空位（NV）自旋系综，增强宽场量子传感性能。通过将金刚石图案化为紧密排列的纳米柱，研究实现了光致发光收集效率超过11倍的提升，以及由于自旋和光学性能增强带来的测量灵敏度提升超过3倍，从而实现低制造应变影响的高分辨率应力张量成像。

ABSTRACT

Quantum sensors based on optically active defects in diamond such as the nitrogen vacancy (NV) centre represent a promising platform for nanoscale sensing and imaging of magnetic, electric, temperature and strain fields. Enhancing the optical interface to such defects is key to improving the measurement sensitivity of these systems. Photonic nanostructures are often employed in the single emitter regime for this purpose, but their applicability to widefield sensing with NV ensembles remains largely unexplored. Here we fabricate and characterize closely-packed arrays of diamond nanopillars, each hosting its own dense, near-surface ensemble of NV centres. We explore the optimal geometry for diamond nanopillars hosting NV ensembles and realise enhanced spin and photoluminescence properties which lead to increased measurement sensitivities (greater than a factor of 3) when compared to unpatterned surfaces. Utilising the increased measurement sensitivity, we image the mechanical stress tensor in each nanopillar across the arrays and show the fabrication process has negligible impact on in-built stress compared to the unpatterned surface. Our results demonstrate that photonic nanostructuring of the diamond surface is a viable strategy for increasing the sensitivity of ensemble-based widefield sensing and imaging.

研究动机与目标

• 通过调控缺陷中心的光学与自旋性质，提升金刚石中NV系综在宽场量子传感中的灵敏度。
• 解决体材料金刚石NV系统中光子收集效率有限的问题，该问题限制了宽场成像中的测量灵敏度。
• 探究通过金刚石纳米柱进行光子纳米结构化是否可同时增强系综传感中的光学收集效率与自旋相干性。
• 展示利用纳米柱阵列实现纳米尺度金刚石器件中机械应力高分辨率、宽场成像的可行性。
• 评估制造工艺对NV宿主柱体中固有机械应变的影响，与未图案化表面进行对比。

提出的方法

• 利用电子束光刻与反应离子束刻蚀技术，制备了直径在400 nm至1000 nm范围内的紧密排列金刚石纳米柱阵列。
• 在纳米柱顶端注入氮离子，形成具有全部四种晶向取向的高密度、近表面NV中心系综。
• 通过宽场光致发光（PL）成像与光学检测磁共振（ODMR）光谱成像，对阵列中自旋与光学响应进行映射。
• 利用ODMR峰位移重建机械应力张量分量（σ_axial, σ_xy, σ_yz, σ_xz），空间分辨率达单柱（亚微米）级别。
• 对比纳米柱中NV系综与未结构化金刚石表面的PL强度、T₁、T₂与T₂*弛豫时间，量化灵敏度增益。
• 基于将全部八个ODMR峰拟合至NV自旋哈密顿量的方法，实现应力张量完整分量的提取。

实验结果

研究问题

• RQ1 金刚石纳米柱阵列能否增强NV系综的光子收集效率与自旋相干性，以支持宽场量子传感？
• RQ2 为实现NV系综灵敏度最大化并保持自旋相干性，最优的纳米柱几何结构（直径与节距）为何？
• RQ3 纳米柱的制造工艺在多大程度上改变了金刚石材料中的固有机械应力？
• RQ4 基于纳米柱的NV系综能否实现纳米尺度下机械应力的高分辨率宽场成像？
• RQ5 与未结构化的金刚石表面相比，纳米结构化在ODMR光谱成像中的灵敏度增益在定量上如何？

主要发现

• 与未结构化金刚石表面相比，纳米柱阵列实现了11.5倍的光致发光收集强度提升，最优性能出现在700–900 nm直径范围内。
• 随着柱直径减小，负电荷NV中心（NV⁻）的比例增加，表明光学与自旋性能得到改善。
• 与未结构化表面相比，纳米柱中NV系综的T₁弛豫时间提高了60%，Hahn自旋回波T₂与T₂*相干时间分别提高了20%。
• 宽场ODMR光谱成像的测量灵敏度分别提升了2.8倍（σ_axial）、3.3倍（σ_xy）、3.7倍（σ_yz）与3.2倍（σ_xz），与预测的>3.7倍光子收集增强一致。
• 总轴向应力（σ_axial）随柱直径减小而增加，而剪切应力分量无直径依赖性，但其符号与大小在张量分量间呈现差异。
• 纳米柱中的应力水平与未图案化金刚石相当，表明制造引起的应变极小，且阵列中测量噪声更低，证实了信噪比性能的提升。