Centra barwne NV– w diamencie

Centra barwne to defekty w sieci krystalicznej zdolne do absorpcji i emisji światła. Interesujące nas ujemnie naładowane centrum azot-wakancja, oznaczane NV^–, składa się z atomu azotu i wakancji na dwóch sąsiednich miejscach w strukturze diamentu (Rys.1.). W naszych badaniach używamy diamentów z koncentracją centrów NV^– na poziomie ~10 ppm. Centra te wzbudzamy za pomocą światła laserowego o długości fali 532 nm i obserwujemy ich fluorescencję w zakresie 600 – 800 nm. Do wzbudzenia i detekcji stosowana jest technika mikroskopii konfokalnej, dzięki czemu uzyskujemy doskonałą przestrzenną zdolność rozdzielczą.

Stany elektronowe centrum NV^–, zarówno podstawowy jak i wzbudzony, są trypletami (mają spin S=1). Struktura energetyczna i niezerowa wartość spinu centrum NV^– umożliwiają optyczne wytworzenie polaryzacji spinowej. Polaryzacja taka powstaje poprzez oświetlenie centrum zielonym światłem a jej odczytu dokonuje się poprzez rejestrację zmian natężenia fluorescencji. Zmiany polaryzacji można dodatkowo kontrolować za pomocą mikrofal (o częstotliwości około 2,9 GHz, Rys.2.) i technik rezonansu magnetycznego.

Rys. 1. Struktura energetyczna ujemnie naładowanego centrum barwnego azot-wakancja (NV^–) w diamencie. Ścieżki wzbudzenia i fluorescencji zaznaczono odpowiednio zieloną i czerwoną strzałką.

Właściwości centrów pozwalają na traktowanie ich jak sztucznych atomów w matrycy ciała stałego. Ze względu na słabe oddziaływanie z siecią krystaliczną diamentu centra barwne NV^– są idealnym ośrodkiem do przeprowadzania doświadczeń z zakresu fizyki atomowej, magnetometrii a także informacji kwantowej. Ponieważ silnie fluoryzują, znajdują coraz szersze zastosowanie do obrazowania i badania właściwości fizycznych (w tym magnetycznych) rozmaitych obiektów w skali nano. Ponadto, ponieważ diament – czyli węgiel jest materiałem naturalnie wchodzącym w skład tkanek, centra te są nietoksyczne a przez to bardzo atrakcyjne dla biologicznych badań in vivo.

Rys. 2. a) Struktura energetyczna w stanie podstawowym. b) Sygnały optycznie rejestrowanego rezonansu magnetycznego (ODMR) obserwowane z użyciem detekcji fazoczułej z polem mikrofalowym modulowanym amplitudowo (górny panel) i częstotliwościowo (dolny panel). c) Cztery możliwe orientatacje przestrzenne centrów NV w monokrystalicznej płytce diamentowej.