[论文解读] 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 21

一句话总结

本研究通过将超高纯化学气相沉积（CVD）金刚石中的氮空位（NV⁻）缺陷纳米钻石进行研磨，实现了在真空中无加热的光学悬浮。关键结果表明，即使在激光强度超过700 GW/m²且压力低于5 mbar的条件下，这些纳米钻石仍保持接近室温，从而使得此前受限于热损伤的高真空实验成为可能。

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.

研究动机与目标

• 克服光学悬浮纳米钻石中因热加热导致的限制，使实验不再局限于低真空环境。
• 识别商用纳米钻石中氮缺陷和表面杂质作为光学吸收与加热的主要来源。
• 证明通过研磨超高纯CVD金刚石可获得吸收可忽略的纳米钻石，从而实现在高真空中稳定悬浮。
• 基于热力学建模，为不同纯度等级的纳米钻石建立可达到真空压力的上限。
• 为未来需要高真空和低热噪声的高精度量子实验提供支持。

提出的方法

• 通过研磨高纯度、低氮含量的CVD生长块状金刚石，制备出氮空位（NV⁻）缺陷极少的纳米钻石。
• 利用聚焦激光束的光镊（光学偶极阱）在真空中悬浮亚200 nm的纳米钻石。
• 采用瑞利散射近似和简谐阱模型描述光学势能，弹簧常数为 $ k_{\text{trap}} = 4\tau^3 \frac{\rho P}{c \rho_0} \frac{(\text{N.A.})^4}{\rho^4} $，其中 $ \rho $ 为极化率，$ P $ 为激光功率，N.A. 为数值孔径，$ c $ 为光速，$ \rho_0 $ 为真空介电常数。
• 利用激光量热法数据和吸收系数建模温升，最大温度的上限由 $ T_{\text{max}} \rightarrow T_0 + \frac{I \beta}{\rho c_p} $ 推导，其中 $ I $ 为强度，$ \beta $ 为吸收系数，$ \rho $ 为密度，$ c_p $ 为比热容。
• 通过测量质心运动推断加热效应并识别在低气压下的损失机制。
• 将实验结果与中等真空条件下加热和阱不稳定的理论模型进行比较。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否在高激光强度下，对从CVD金刚石研磨得到的高纯度纳米钻石实现在真空中的光学悬浮，且无显著加热？
• RQ2 在以往实验中使用的商用纳米钻石中，导致加热的光学吸收主要来源是什么？
• RQ3 在光学捕获条件下，将纳米钻石中氮缺陷浓度降低到何种程度可消除加热？
• RQ4 基于热稳定性和动力稳定性，纳米钻石可达到的最大真空压力是多少？
• RQ5 与体材料金刚石相比，表面效应和纳米尺度形貌在多大程度上影响纳米钻石的光学吸收和热响应？

主要发现

• 在激光强度超过700 GW/m²且压力低于5 mbar的条件下，从CVD金刚石研磨得到的高纯度纳米钻石无显著升温，实现了高真空中的稳定光学悬浮。
• 识别出商用纳米钻石中加热的主要来源为氮相关缺陷（N₀ₛ⁰），其吸收系数高达30 cm⁻¹；而研磨后的CVD纳米钻石吸收系数 ≤ 0.03 cm⁻¹。
• 建模表明，对于20 nm的纳米钻石，在60 GW/m²下，从1 mbar到0.001 bar的压力范围内，温升可忽略（≤10 K），证实其适用于高真空实验。
• 理论上限表明，氮浓度为20–30 ppb（低吸收等级）的纳米钻石可承受低至10⁻⁴ mbar的压力，而电子级金刚石（≤5 ppb N₀ₛ⁰）可能支持低至10⁻⁵ mbar的压力。
• 在约1 mbar以下，纳米钻石突然从阱中弹出，归因于阻尼降低和非保守性散射力，而非热效应，因为温升极小。
• NV⁻中心的自旋相干寿命（T₂*）在高达600 K的温度下仍保持在1 μs以上，表明在高温条件下仍可实现自旋读出，尽管此处因加热极低未实际观测到。