[论文解读] Quantum coherence control at near 1000 K

Gang‐Qin Liu, Xi Feng+3 more|arXiv (Cornell University)|Oct 31, 2018

Diamond and Carbon-based Materials ResearchMaterials Science参考文献 32被引用 19

一句话总结

本研究展示了在纳米金刚石中氮空位（NV）中心电子自旋的室温初始化与读出，随后通过脉冲激光加热和非晶碳薄膜上的快速热扩散，实现高达1000 K的高温控制。该方法实现了对单个镍纳米颗粒在约615 K时磁相变的观测，为极端热环境下的纳米测温与纳米磁力测量建立了平台。

ABSTRACT

Quantum coherence control usually requires extremely low temperature environments. Even for spins in diamond, a remarkable exception, the coherence signal is lost as temperature approaches 700 K. Here we demonstrate quantum coherence control of the electron spins of nitrogen-vacancy centers in nanodiamonds at temperatures near 1000 K. The scheme is based on initialization and readout of the spins at room temperature and control at high temperature, which is enabled by pulse laser heating and rapid diffusion cooling of nanodiamonds on amorphous carbon films. Using high-temperature spin control, we observe the magnetic phase transition of a single nickel nanoparticle at about 615 K. This work enables nano-thermometry and nano-magnetometry in the high-temperature regime.

研究动机与目标

• 将纳米金刚石中NV中心的量子相干性控制扩展至典型700 K极限以上。
• 实现高温自旋操控，以应用于纳米测温与纳米磁力测量。
• 通过新型热管理方案，克服高温下电子自旋的热退相干。
• 利用NV中心探测技术，在高温下观测单个镍纳米颗粒的磁相变。
• 在单一纳米尺度系统中，实现室温初始化与读出，同时实现高温控制。

提出的方法

• 利用脉冲激光加热，将附着于非晶碳薄膜上的纳米金刚石迅速升温至接近1000 K。
• 通过非晶碳基底实现快速热扩散，以在加热后迅速冷却纳米金刚石。
• 在室温下对NV中心电子自旋进行初始化与读出，以保持量子相干性。
• 应用高温自旋控制协议，以在热激发过程中维持相干性。
• 利用NV中心的自旋依赖荧光，探测附近纳米颗粒的磁响应。
• 采用定制微热系统，实现精确温度控制与光学接入。

实验结果

研究问题

• RQ1 NV中心在纳米金刚石中的量子相干性是否可在接近1000 K的温度下得以保持并实现控制？
• RQ2 何种热管理策略可实现高温自旋控制而不引起退相干？
• RQ3 单个NV中心是否可在高温下探测到纳米颗粒的磁相变？
• RQ4 在保持高温控制的同时，是否可行实现室温初始化与读出？
• RQ5 该系统是否可在极端热环境中实现纳米尺度的测温与磁力测量？

主要发现

• NV中心在纳米金刚石中的量子相干性成功在高达1000 K的温度下得以维持与控制。
• 该系统实现了对单个镍纳米颗粒在约615 K时磁相变的探测。
• 在通过脉冲激光加热实现高温控制的同时，成功实现了NV自旋的室温初始化与读出。
• 通过非晶碳薄膜实现的快速热扩散可防止热损伤，并在加热循环中保持自旋相干性。
• 该方法在极端热条件下实现了高保真度的自旋控制与传感，显著扩展了基于NV的传感器工作窗口。
• 该方法为高温环境中纳米测温与纳米磁力测量提供了切实可行的路径。