NV中心荧光共振能量转移研究

We experimental study the Fluorescence Resonance Energy Transfer (FRET) between a single nitrogen-vacancy (NV) center in diamond and molecules and thin films, try to build a physical mechanism to understand the FRET of the NV center, and investigate the relationship of the coherent time of the single electron spin of the NV center and the FRET efficient. Our research including (1) the decreases of the fluorescence life time and intensity of a single NV center resulted by the FRET between NV center and the different types of molecules and thin films; (2) the FRET efficient between a single NV center and graphene films with different carrier concentration manipulated by applied electric potential; (3) the physical mechanism of FRET between NV center and molecules and thin films; (4) the influence of the coherent time of a single electron spin of a NV center by the FRET process. We try to find a possible method to manipulate the FRET efficient of a single NV center and to develop a new probe to investigate molecules and morphologies of films.

研究金刚石单个NV中心与其它物质之间的荧光共振能量传递过程，揭示共振能量传递的物理机制，探索共振能量传递对NV中心单电子自旋态的影响。研究内容包括：金刚石单个NV中心与不同类型分子之间、不同性质薄膜之间荧光共振能量传递所导致的荧光寿命减小和荧光强度降低；通过外加电场调控石墨烯载流子浓度研究NV中心与石墨烯之间荧光共振能量传递效率和石墨烯载流子浓度的关系；建立单个NV中心荧光共振能量传递物理机制；研究NV中心荧光共振能量传递对NV中心单电子自旋态相干性的影响。探索NV中心和其它物质之间共振能量传递效率的调控途径和基于NV中心荧光共振能量传递对其它物质的检测方法。

我们进行了金刚石中的NV中心制备，性能研究，以及NV中心与其它物质相互作用，并以此作为探测外自旋和外场的方法。.通过纳米尺度的等离子体刻蚀，我们让金刚石中NV中心逐步接近表面，相干时间与表面自旋和外自旋的关系中，我们分别测量在不同深度下的NV中心施加外自旋前后的自旋相干时间，用二者的相对比值来表征表面和外加自旋对NV中心自旋退相干的贡献。通过理论和实验结果的对比，得到了外加自旋前后NV中心自旋相干时间比值随深度变化的关系式，并得到外自旋对NV中心退相干贡献最大时的特征深度。在近似情况下，这一特征深度只与NV中心的近邻环境以及表面自旋密度有关。这一关系式描述了NV中心与外自旋的相互作用，有助于实现NV中心对外自旋进行更高精度的探测。我们用比较低的温度在空气中低速率氧化刻蚀金刚石表面，精确控制NV中心的深度，追踪单NV中心的数目与氧化刻蚀时间（深度）关系，同时研究NV中心相干时间从处于较深位置时的金刚石纯体态自旋环境到表面自旋影响的变化。我们的结果显示NV中心的自旋相干时间在最后22nm深度内迅速下降，这揭示了表面自旋影响的特征深度。我们通过测量了一批纳米金刚石中的单个NV中心自旋相干时间T1和T2，结果显示T1比T2对金刚石纳米颗粒表面自旋更为敏感，根据对72个含有单个NV中心的纳米金刚石中NV中心自旋相干时间T1的测量，估计了表面自旋浓度范围。.我们通过电子束曝光、氮分子离子和高温退火技术结合的方法，获得了具有比较长的自旋相干时间的NV中心阵列。金刚石中的NV中心自旋相干时间T2达到百微秒量级，T2*达数微秒。基于此阵列，我们提出了基于金刚石NV中心阵列的高灵敏度温度探测方法，获得了10.1mk/Hz1/2高灵敏度的温度测量。我们利用电子束曝光以及碳离子注入技术实现了碳化硅中单硅空位中心阵列高产率和位置可控的制备。碳化硅中的硅空位中心可以更好地集成于光子晶体系统，有利于其在量子信息网络中的应用。.通过该课题的研究，我们发表了13篇SCI论文和获得了3项授权发明专利。