Оптически обнаруженный магнитный резонанс

Оптически обнаруженный магнитный резонанс

Оптически обнаруженный магнитный резонанс

Оптически обнаруженный магнитный резонанс (ODMR) — это уникальный метод, который находит применение в различных областях науки и техники. Этот метод позволяет исследовать состояние электронного спина кристаллических дефектов, что открывает новые горизонты в понимании физики материалов и их свойств.

Что такое оптически обнаруженный магнитный резонанс?

ODMR представляет собой метод двойного резонанса, который использует оптические и микроволновые сигналы для инициализации и считывания состояния спина. Этот процесс основан на эффекте Зеемана, который наблюдается в неспаренных электронах. В частности, отрицательно заряженный центр азотной вакансии (NV−) в алмазе стал объектом интенсивных исследований благодаря своим уникальным свойствам и возможностям применения.

Применение ODMR

Технология ODMR находит широкое применение в различных областях, включая:

Магнитометрию

ODMR позволяет точно измерять магнитные поля, что полезно в геофизике и медицине.

Биомедицинская визуализация

Использование ODMR в биомедицинских исследованиях помогает визуализировать процессы на клеточном уровне.

Квантовая информация

ODMR является важным инструментом в разработке квантовых компьютеров и систем квантовой связи.

Фундаментальная физика

Исследования с использованием ODMR помогают ученым лучше понять основные законы физики.

Структура дефекта NV−

Дефект вакансии азота в алмазе представляет собой комбинацию замещающего атома азота и соседней вакансии в кристаллической решетке. Вакансия может находиться в трех зарядовых состояниях: положительном (NV+), нейтральном (NV0) и отрицательном (NV−). Из этих состояний только NV− активно участвует в процессах ODMR, что делает его особенно интересным для исследований.

Энергетическая структура NV− включает триплетное основное состояние, триплетное возбужденное состояние и два синглетных состояния. При резонансном оптическом возбуждении NV может переходить из основного состояния в возбужденное, а затем возвращаться обратно, испуская фотон. Этот процесс может происходить через два пути: либо через нулевую фононную линию, либо через синглетные состояния.

Механизм работы ODMR

При резонансном оптическом возбуждении NV− происходит переход в возбужденное состояние, после чего центр может вернуться в основное состояние, испуская фотон. Этот процесс сопровождается изменением флуоресценции, что позволяет исследовать состояние спина. Микроволновая накачка на резонансной частоте помещает центр в вырожденное состояние, что приводит к расщеплению уровней энергии и изменению флуоресценции.

Приложение магнитного поля вызывает расщепление Зеемана, что позволяет наблюдать два резонансных состояния. Эти состояния можно описать уравнением, которое связывает частоту с магнитным полем и другими физическими константами. Измеряя изменения флуоресценции, можно определить силу магнитного поля, что делает ODMR мощным инструментом для исследований.

Сверхтонкое расщепление

В спектре флуоресценции могут наблюдаться дополнительные расщепления, вызванные сверхтонкими взаимодействиями. Эти взаимодействия происходят из-за наличия атомов азота и углерода-13, которые находятся рядом с дефектом NV. Эти атомы создают небольшие магнитные поля, которые влияют на спектральные линии NV, вызывая дальнейшее расщепление.