超表面集成金刚石色心自旋磁共振信息调控与原子磁力计应用基础研究

The solid-state quantum sensors based on nitrogen-vacancy (NV) centers in diamond offer intriguing application possibilities in engineering, bio-medicine and quantum information. To realize maximizing fluorescence collection efficiency and improve the sensor sensitivity, breakthroughs are expected in many aspects including the manipulation and directional distribution technique for spin magnetic resonance of NV centers. The meta-surface, based on sub-wavelength structure with anomalous reflection, can fully control the nano-scale optical transmission and is an ideally effective way for quantum manipulation. In this project, we aim at developing a miniaturized magnetometer with high precision and manipulation method based on the theory of high-efficiency anomalous reflection and refraction by gradient meta-surfaces and spin magnetic resonance of NV centers. With the further research efforts on the physical theories and methodologies of quantum manipulation, energy propagation in free space, and coupling enhancement of spin magnetic resonance filed, a miniaturized atomic magnetometer will be developed to realize the high precision detection of magnetic field after investigating the design and fabrication of meta-surface. This work will break the limitation of existing photonics and electronics of NV centers in diamond, and improve the application of the quantum effects of artificial micro/nano structure.

以金刚石氮空位（NV）色心量子体系为代表的固态量子传感技术在工程技术、生物医学、量子信息等领域具有广阔的应用前景。为提升荧光收集效率、提高传感系统灵敏度，如何实现NV色心自旋磁共振信息定向分布与调控是目前面临的主要问题。基于亚波长结构制备的超表面可以同时聚焦传输波和倏逝波，是实现NV色心自旋磁共振信息定向分布与调控的理想手段。本项目基于超表面和NV色心磁敏感技术，开展一种超表面集成金刚石色心自旋磁共振信息调控的方法研究，通过解决磁共振信息的定向调控、自由空间的高效传输和耦合增强等关键科学问题，研究超表面的设计理论和制备方法、金刚石NV色心磁自旋振信息解耦等技术，突破现有色心磁共振信息增强的局限性，探索人工微/纳结构中的量子效应，为开发新一代微型化高精度原子磁力计提供关键技术支持。

本项目面向我国发展“新一代空天系统技术”、“深地极地探测开发的技术”等发展战略前沿技术的需求，以金刚石NV色心作为敏感单元，研制了一种全固态的、基于金刚石NV色心的原子磁力计。通过解决完成磁共振信息的定向调控、自由空间的高效传输和耦合增强等关键科学问题，研究了超表面的设计理论和制备方法、金刚石NV色心磁自旋振信息解耦等技术，突破了现有色心磁共振信息增强的局限性。实现了有效氮空位（NV）中心浓度比例磁场信息验证，完成了自旋系综浓度测量系统的搭建，建立了PL-NV浓度计算模型，结合深度层析法，实现了1×10^15cm-3至1×10^19cm-3系综浓度的测试。.利用微波与自旋耦合作用效应，建立了微波测量自旋浓度模型，实现了金刚石氮空位中心浓度的测量、以及样品表面自旋浓度测量与分布特性表征。开展了超表面集成耦合荧光增强效应与荧光空间分布调控技术研究，设计了一种极化不敏感的宽带超材料多谐振结构（577~492nm），改进了超构体的非耦合模型，实现了宽带超构体在可见绿光范围内的全覆盖。利用“十”字谐振子设计了一种极化方向和入射角度不敏感的反射单元结构，通过改变其几何参数实现了反射相位0~2π的调制。利用FIB进行大面积均匀扫描，制备出纳米尺度周期性阵列结构。通过扩大FIB辐照区域，一次性扫描覆盖多个初始图形结构，诱发其类流体物质迁移，从而实现多结构的准并行加工，有效提高了基于FIB技术的纳尺度结构加工效率，实现了超结构的表面平整化、高精度低容差制备成型。.搭建了光探测磁共振信号的检测系统，证明了在不增加系统光路复杂性的条件下，通过优化激光功率和微波功率，可实现布局数在基态能级之间的有效跃迁，优化光探测磁共振信号共振峰的对比度，实现磁力计极限灵敏度的提升。利用反馈测试波动方法，调制解调测得的ESR共振谱，可以得到弱磁信号的检测分辨率约为3 nT。验证了金刚石NV色心基态能级的塞曼分裂与外加磁场之间的线性关系，通过计算得出该检测系统的理论极限灵敏度达到0.3nT/Hz^1/2。