近年來，金剛石NV色心（Nitrogen-vacancy defect centers）在科研界受到越來越多的科學家的重視。NV色心*且穩(wěn)定的光學性使其擁有其廣泛的應用前景。尤其在大力興起的量子信息域，NV色心可以作為單光子源用于量子計算。而且NV色心作為具有量子敏感度的傳感器，還可應用于納米分辨率的磁場、電場、溫度和壓力的探測。在生物學域，NV色心更是的生物標識物，具有光學性能穩(wěn)定，細胞毒性低的點。

    德國attocube systems AG公司針對NV色心應用域開發(fā)了多款低溫納米精度位移器及掃描器，為低溫下的NV色心準確位移、旋轉及掃描提供了很大的便。以下我們總結了低溫環(huán)境中(4K)NV色心研究的典型實驗方案。

1. 基于NV 色心的量子網絡節(jié)點和寄存器設計

    量子網絡節(jié)點的實現是未來量子網絡乃至量子互聯網的基本要求。這樣的量子寄存器在不干擾底層量子狀態(tài)的情況下負責接收或發(fā)射信息。近期，美國哈瓦德大學（Cambridge，MA，USA）的Marko Loncar和Mikhail Lukin小組提出了基于金剛石納米腔中硅空位色心的基本量子網絡節(jié)點。課題組在稀釋制冷機中采用德國attocube的低溫納米位移器ANPxyz101和atocube的低溫復色差物鏡搭建的低溫mK共聚焦顯微鏡，對金剛石晶格中的光學活性點缺陷進行了表征。此外，作者還通過將系統耦合到入射光光子以及附近具有100 ms退相干時間的核自旋來演示作為量子寄存器節(jié)點的工作原理。使量子中繼器邁出了堅實的步。

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C.T. Nguyen et al, Phys. Rev. B 100, 165428 (2019)

圖、基于德國attocube公司的低溫納米精度位移臺和低溫消色差物鏡搭建的共聚焦顯微鏡

圖二、系統原理圖

2. NV 色心在加壓凝聚態(tài)系統中的量子傳感

    壓力引起的影響包括平面內部性質變化與量子力學相轉變。由于高壓儀器內會產生巨大的壓力梯度，例如金剛石腔，致使常用的光譜測量技術受到限制。為了解決這難題，巴黎第十大學，香港中文大學和加州伯克大學的科研團隊共同研發(fā)了個新奇的納米尺度傳感器，研究者把量子自旋缺陷集成到金剛石壓腔中來探測壓力和溫度下的微小信號，空間分辨率不受到衍射限限制。

    為此，加州伯克大學團隊使用與光學平臺高度集成的閉循環(huán)德國attocube公司的attoDRY800低溫恒溫器來進行試驗，attoDRY800中集成了attocube公司的低溫納米精度位移臺，以此來實現快速并且準確控制金剛石壓強的移動以及測量實驗。

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S. Hsieh et al., Science, Vol. 366, Issue 6471, pp. 1349-1354 (2019) 
M. Lesik, et al., Science, Vol. 366, Issue 6471, pp. 1359-1362 (2019)
K. Yau Yip et al., Science, Vol. 366, Issue 6471, pp. 1355-1359 (2019)

圖、實驗示意圖及測量結果

3. NV 色心的自旋與光子的增強耦合研究

    可靠的量子信息系統需要不同的量子系統結合它們各自的高性來實現。光子作為局域量子比之間的媒介提供了尤為靈活和普遍的可能性。因此，對固體量子比與光子的有效耦合是量子計算的基本要求。氮空位中心具有較長的自旋相干時間，其自旋可以通過光學初始化、操縱和檢測。然而，只有大約3%的光子發(fā)射被躍遷到了零聲子線中。這很大的限制了單光子的區(qū)分效率和自旋與光子的相干相互作用信噪比。德國薩蘭大學（Saarbrücken, Germany）的Christoph Becher小組設計和制造了個可調諧二維光子晶體腔（圖1A），并報道了個數量的增強發(fā)射率（圖1B）。通過激光誘導，實現了M0腔模式與NV中心零聲子線共振的調諧。原位光學測量可控制實時的調諧過程。其制作化和調諧結果是光學自旋讀出結果是其信噪比的三倍。Christoph教授提出的制造工藝和實驗裝置，可以獲得更高的信噪比。為未來的量子信息提供了更多的可能和客觀的前景，在此測量實驗中使用的德國attocube公司制造的低溫納米位移器ANPxyz101，能夠在低溫環(huán)境下，實現5 mm*5 mm*5 mm的行程，而且能夠實現200 nm分辨率，1 μm精度的閉環(huán)反饋。

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T. Jung, et al; "Spin Measurements of NV Centers Coupled to a Photonic Crystal Cavity", arXiv:1907.07602 (2019)

圖、A 實驗制備的可調諧的二維光子晶體腔體；B 在637.4 nm處M0腔模式和NV-ZPL的相互作用

4. 總體NV色心信號收集實驗

    將磁性樣品覆蓋在表面具有較多NV色心的塊體金剛石襯底上。這個NV色心表面層通常由離子注入或在金剛石表面合成富氮表面層來實現。通常采用532 nm的激光激發(fā)NV色心到激發(fā)態(tài)，并在630-800 nm波長范圍收集熒光信號。同時用微波信號激發(fā)和探測NV色心的自旋態(tài)（ESR）。熒光信號由二維的CCD探測陣列收集成像并與樣品相對應。與單個NV色心的研究不同，該實驗方案采用大工作距離獲得大視野范圍的成像，從而實現大面積信號的采集。該實驗方案中對于塊體金剛石襯底及磁性樣品的準確位移采用的是attocube公司的ANP341系列納米精度位移臺，該位移臺可以在4K低溫強磁場環(huán)境中實現20 mm超大行程的位移，小位移步長20 nm@4K，垂直方向的載重達2 Kg，低溫下采用電阻式傳感器，可以實現200 nm的分辨率，1 μm的重復精度。

圖、 CCD與顯微鏡成像系統

圖二、 低溫強磁環(huán)境兼容納米精度位移臺 ANP341

5. 單個NV色心研究：樣品表面的納米金剛石

    納米金剛石的單個NV色心探測可以通過共聚焦顯微技術來實現。該實驗裝置包括attocube的三維低溫納米位移臺，Z方向可以準確調整樣品到焦平面，XY可以對樣品表面進行掃描。采用532 nm激光激發(fā)，對630 nm-800 nm范圍的熒光信號進行采集。采用可調的微波信號對NV色心的自旋態(tài)進行激發(fā)，通過熒光信號的峰值位移來確定其自旋態(tài)。整個實驗在4K低溫恒溫器中進行。為了研究感興趣的區(qū)域，通常將金剛石粉末（20-30 nm）均勻的撒在樣品表面，然后使用attocube三維納米位移臺來掃描樣品并且對定NV色心進行測量，并且可以通過單個NV色心觀測較大溫度范圍內的樣品性質。

圖、掃描共聚焦顯微鏡示意圖

Tokura課題組成功的運用此技術研究了FeGe樣品中的磁渦旋結構。

更多細節(jié)請參考：

Using NV-Center Optically Detected Magnetic Resonance (ODMR) as a Probe for Local Magnetic Dynamics in Transition Metals

6. 掃描探針量子探測器(例如：掃描磁力顯微鏡)

    將個NV色心固定在掃描探針顯微鏡的探針末端?？梢酝ㄟ^在針尖上“粘貼”納米金剛石，或采用納米壓印與O₂刻蝕技術將塊體金剛石加工成再用N-14注入來實現NV色心，現在甚至已經有商業(yè)化的針尖。采用共聚焦顯微鏡將激發(fā)光聚焦在掃描探針的NV色心上。實驗中樣品的準確掃描是通過attocube公司的低溫納米精度位移臺進行。這樣便可實現對樣品表面的納米精度大范圍成像測量。該技術理論上可以對多種與NV色心熒光相關的性進行高精度顯微學測量。

圖、掃描探針顯微鏡示意圖 

    Jayich課題組 (UCSB)運用這技術在BaFe₂(As_0.7P_0.3)₂ 超導材料的轉變溫度附近（30K）成功觀測到了旋渦。這技術在研究材料低溫下的新奇性質方面前景廣闊。

更多細節(jié)請參考：

Scanned probe imaging of nanoscale magnetism at cryogenic temperatures with a single-spin quantum sensor.

7. 基于NV色心顯微鏡對疇壁跳變的納米成像與控制

    磁力線中的疇壁可能對未來的自旋電子器件是有用的，因此其納米尺度的表征是邁向實用化的重要步。正如法國科學家Vincent Jaques在《科學》雜志上所展示的那樣，基于AFM/CFM的NV中心顯微鏡可以對1 nm厚的鐵磁納米線中的疇壁進行成像，以及單個疇壁釘扎位置之間的跳躍。同時，研究還表明，由于高的局部激光功率，疇壁可以通過局部加熱誘導跳躍而沿導線移動。對實驗結果起關鍵作用的是德國attocube公司的低溫納米位移臺，其能夠實現低溫下納米精度的樣品位移、傾角、旋轉和掃描等功能。

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Tetienne et al ., Science 344, 1366(2014)

圖、實驗裝置示意圖