Оптически обнаруженный магнитный резонанс

В физике оптически детектируемый магнитный резонанс (ODMR) представляет собой метод двойного резонанса, с помощью которого состояние электронного спина кристаллического дефекта может быть оптически накачано для инициализации и считывания спина.

Подобно электронному парамагнитному резонансу (ЭПР), ОДМР использует эффект Зеемана в неспаренных электронах. Отрицательно заряженный центр азотной вакансии (NV−) был объектом значительного интереса в отношении проведения экспериментов с использованием ОДМР.

ODMR NV−s в алмазе находит применение в магнитометрии и зондировании, биомедицинской визуализации, квантовой информации и исследовании фундаментальной физики.

НВ ОДМР

Дефект вакансии азота в алмазе состоит из одного замещающего атома азота (замещающего один атом углерода) и смежного зазора, или вакансии, в решетке, где обычно находится атом углерода.

Вакансия азота встречается в трех возможных зарядовых состояниях: положительном (NV+), нейтральном (NV0) и отрицательном (NV−). Поскольку NV− является единственным из этих зарядовых состояний, которое, как было показано, является ODMR-активным, его часто называют просто NV.

Структура энергетических уровней NV− состоит из триплетного основного состояния, триплетного возбужденного состояния и двух синглетных состояний. При резонансном оптическом возбуждении NV может быть повышен из триплетного основного состояния в триплетное возбужденное состояние. Затем центр может вернуться в основное состояние двумя путями: путем испускания фотона 637 нм в нулевой фононной линии (ZPL) (или более длинной волны из фононной боковой полосы) или, альтернативно, через вышеупомянутые синглетные состояния через интеркомбинационную конверсию и испускание фотона 1042 нм. Возврат в основное состояние по последнему маршруту преимущественно приведет к состоянию ${\displaystyle m_{s}=0}$.

Релаксация до состояния ${\displaystyle m_{s}=0}$ обязательно приводит к уменьшению флуоресценции видимой длины волны (поскольку испускаемый фотон находится в инфракрасном диапазоне). Микроволновая накачка на резонансной частоте ${\displaystyle \nu =2.87{\text{ }}GHz}$ помещает центр в вырожденное ${\displaystyle m_{s}=\pm 1}$ состояние. Приложение магнитного поля снимает это вырождение, вызывая расщепление Зеемана и уменьшение флуоресценции на двух резонансных частотах, определяемых выражением ${\displaystyle h\nu =g_{e}\mu _{B}B_{0}}$, где ${\displaystyle h}$ — это Планков константа, ${\displaystyle g_{e}}$ — это g-фактор электрона, а ${\displaystyle \mu _{B}}$ — магнетон Бора. Прохождение микроволнового поля через эти частоты приводит к двум характерным провалам в наблюдаемой флуоресценции, разделение между которыми позволяет определить силу магнитного поля ${\displaystyle B_{0}}$.

Сверхтонкое расщепление

Дальнейшее расщепление в спектре флуоресценции может происходить из-за сверхтонкого взаимодействия, что приводит к дальнейшим резонансным условиям и соответствующим спектральным линиям. В NV ODMR эта детальная структура обычно возникает из атомов азота и углерода-13 вблизи дефекта. Эти атомы имеют небольшие магнитные поля, которые взаимодействуют со спектральными линиями из NV, вызывая дальнейшее расщепление.