近期，Jun.教授和Elke Neu-Ruffing博士帶領(lǐng)的德國(guó)研究小組，報(bào)導(dǎo)了他們基于金剛石色心的新型傳感器的部分實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果。

金剛石色心的應(yīng)用很廣，從通信、密碼學(xué)到傳感都能涉及到[1]。

不同的色心具有不同的特性，包括吸收光譜、發(fā)射光譜、熒光壽命和自旋態(tài)都不盡相同，因此適合于不同的應(yīng)用。為了進(jìn)一步調(diào)控色心的熒光特性，人們將其嵌入到光子納米結(jié)構(gòu)中[2,3]。

相對(duì)于塊狀金剛石中的色心，嵌入納米結(jié)構(gòu)中的色心由于外部光學(xué)環(huán)境的改變，通常會(huì)引起其激發(fā)態(tài)壽命的變化，因此需要搭建新的實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行觀察。

圖1：（a）NV（氮空位）體系上WSe2（硒化鎢）薄片的光致發(fā)光圖。此處選用了SuperK EXTREME超連續(xù)譜光源，搭配脈沖選擇器和VARIA濾波器，脈沖選擇器重復(fù)頻率為8 MHz，濾波器設(shè)置到530-534 nm的激發(fā)波段。（b），（c）表示的是與（a）中光致發(fā)光圖對(duì)應(yīng)的NV體系和WSe2薄片的熒光壽命圖。實(shí)驗(yàn)中，始終能觀察到WSe2薄片下面NV色心熒光壽命的減少，與此相對(duì)的是，WSe2薄片之間的NV色心總壽命達(dá)到12ns。請(qǐng)注意圖（b）中的色標(biāo)方向是反的。通過(guò)這種方式，可以清晰的顯示從NV色心到WSe2的能量轉(zhuǎn)移（摘自參考文獻(xiàn)[4]）。

超連續(xù)譜激光器是理想的熒光激發(fā)源

實(shí)驗(yàn)中，我們搭建了一套多功能的共聚焦激光熒光顯微鏡。選擇的熒光激發(fā)源是NKT Photonics公司的SuperK EXTREME超連續(xù)譜激光器，并配備了脈沖選擇器和VARIA濾波器系統(tǒng)。該配置是用作時(shí)間分辨，如熒光壽命成像（FLIM）的理想選擇。

由于氮空位（NV）色心具有穩(wěn)定的光發(fā)射和光學(xué)可尋址自旋態(tài)等特性，使其可用于各種物理量的傳感[1]。

熒光壽命圖揭示了NV色心與WSe2之間的相互作用

近，我們?yōu)榧{米單晶金剛石NV色心研發(fā)了一種新型的傳感方法。

利用NV色心的偶極特性以及較寬的光發(fā)射帶，可以驗(yàn)證NV色心與附近其他偶極子的能量轉(zhuǎn)移。實(shí)驗(yàn)中，利用了金剛石表面單層硒化鎢（WSe2）中的激子，該過(guò)程稱為福斯特共振能量轉(zhuǎn)移（FRET）[4]。

當(dāng)FRET為NV色心的激發(fā)態(tài)開辟出一條額外的衰減通道時(shí)，NV色心與WSe2的相互作用表現(xiàn)為其激發(fā)態(tài)壽命變化。當(dāng)單層WSe2薄片被轉(zhuǎn)移到金剛石表面，并利用熒光壽命成像顯微鏡（FLIM）對(duì)金剛石淺表層的NV色心進(jìn)行測(cè)量，獲取其熒光壽命圖。[見圖1（a）]。

FRET過(guò)程中，NV色心仍然具備磁場(chǎng)感測(cè)能力

基于熒光壽命圖，我們研究了NV色心與單層WSe2薄片之間的相互作用。正是在NKT Photonics激光系統(tǒng)的有效輔助下，特別是其穩(wěn)定的脈沖強(qiáng)度、寬的光譜范圍、簡(jiǎn)易可選的重復(fù)頻率以及對(duì)無(wú)效脈沖的高抑制性等優(yōu)勢(shì)，終實(shí)現(xiàn)了必要的測(cè)量，并完成了該項(xiàng)新應(yīng)用的研究。

SuperK EXTREME的脈沖選擇器可確保激光脈沖與探測(cè)器的同步，建立檢測(cè)的時(shí)間門控，終清晰地區(qū)分出WSe2和金剛石NV色心的熒光 [比較圖1（b）和（c）]。時(shí)間同步非常重要，特別是要進(jìn)一步研究NV色心與WSe2薄片相互作用時(shí)的自旋特性。實(shí)驗(yàn)展示了FRET過(guò)程中，NV色心的磁場(chǎng)感測(cè)能力仍保持不變，利用該特性，金剛石中的NV色心有望成為多功能傳感器。

研究小組介紹

由Jun. 教授和Elke Neu-Ruffing博士領(lǐng)導(dǎo)的研究小組，致力于研究基于金剛石色心的新型傳感器。金剛石中的雜質(zhì)，即所謂的色心，可以看作是人造原子。它們與原子一樣小，可以用作高靈敏度的傳感器，例如磁場(chǎng)探測(cè)。為了建立分辨率接近納米量級(jí)的高空間分辨率圖像，我們將色心嵌入到納米級(jí)的掃描探針結(jié)構(gòu)中。這些新型結(jié)構(gòu)的研究成果可作為生命科學(xué)的通用成像工具。

Jun.-Prof. Dr. Elke Neu-Ruffing

Technische Universit?t Kaiserslautern

Phone: +49 (0)681 205-5788

nruffing(at)rhrk.uni-kl.de

參考文獻(xiàn)

[1] M. Radtke, E. Bernardi, A. Slablab, R. Nelz, and E. Neu, “Nanoscale sensing based on nitrogen vacancy centers in single crystal diamond and nanodiamonds: achievements and challenges," Nano Futures 3 (4), 042004 (2019).

[2] P. Fuchs, M. Challier, and E. Neu, ?Optimized single-crystal diamond scanning probes for high sensitivity magnetometry," New J. Phys. 20, 125001 (2018).

[3] R. Nelz, P. Fuchs, O. Opaluch, S. Sonusen, N. Savenko, V. Podgursky, and E. Neu, ?Color center fluorescence and spin manipulation in single crystal, pyramidal diamond tips," Appl. Phys. Lett. 109, 193105 (2016).

[4] R. Nelz, M. Radtke, A. Slablab, Z.-Q. Xu, M. Kianinia, C. Li, C. Bradac, I. Aharonovich, and E. Neu, “Near‐Field Energy Transfer between a Luminescent 2D Material and Color Centers in Diamond," Adv. Quantum Techn. 1900088 (2019).

相關(guān)應(yīng)用

金剛石NV色心

氮空位色心(NV色心)屬于金剛石中的點(diǎn)缺陷之一，其為人們熟知和利用的特性是光致發(fā)光。單個(gè)的NV色心，特別是處于負(fù)電荷狀態(tài)(NV-)時(shí)，其光致發(fā)光可以被輕易的探測(cè)到。

通過(guò)施加磁場(chǎng)、電場(chǎng)、輻射、光照或以上方式的組合，可以操縱NV色心中的電子自旋態(tài)，從而大大的改變光致發(fā)光的強(qiáng)度和波長(zhǎng)。

單獨(dú)的NV色心可被看作計(jì)算的基本單元，使其在電子學(xué)和計(jì)算科學(xué)的前沿領(lǐng)域，包括密碼學(xué)和自旋電子學(xué)中有著潛在的應(yīng)用價(jià)值。