Химия - NV-центр - Энергетическая структура уровней NV центра

Схема уровней N-V центра.
Электронные переходы между основными ³А и возбужденными ³Е состояниями, разделенными 1.945 eV и определяющими спектр поглощения и люминесценции. Состояние ³А расщепленно на 1027 гаусс, а состояние ³E — на 508 gauss. Числа 0, ±1 обозначают величину спина; расщепление из-за спин-орбитального вырождения не показано.

Энергетическая структура N-V центров изучалась теоретически и экспериментально. В экспериментах, в основном, применялся комбинированный способ возбуждения — метод электронного параметрического резонанса и лазерное излучение.

Гамильтониан

Спиновый гамильтониан центра, у которого в вакансии находится изотоп азота N, имеет вид

,

где D и A — тензоры тонкого и сверхтонкого расщепления , Q — тензор квадрупольного ядерного расщепления и — электронный и ядерный факторы и магнетоны Бора.

Схема уровней представлена на рис. Для того чтобы определить собственные состояния центра, его рассматривают как молекулу, а в расчетах применяют метод линейной комбинации атомных орбиталей. Также используется теория груп, учитывающая как симметрию алмазной кристаллической структуры, так и симметрию самого NV. Энергетические уровни помечены в соответствии с симметрией группы C_3V, i.e. A₁ A₂ and E. Числа 3 в ³A и 1 в A представляют число разрешенных m_s спиновых состояний, или спиновую мультиплексность, лежащую от −S до S при полном числе 2S+1 возможных состояний. Если S = 1, m_s может принимать значения −1, 0, or 1. Уровень A предсказан теорией и играет важную роль в подавлении фотолюминесценции, но прямого экспериментального наблюдения этого состояние пока не было.

Спектр флуоресценции N-V центра при температуре 9 К. Узкий пик является т. н. люминесценцией нулевой фононной линии. В этом пике содержится около 4 % всей люминесценции

В отсутствии внешнего магнитного поля основное и возбужденное состояния расщеплены магнитным взаимодействием между двумя неспаренными электронами N-V центра: при параллельных спинах электронов их энергия больше, чем в случае с анти-параллельными спинами.

Чем дальше отделены электроны, тем слабее взимодействие D Иными словами, меньшее расщепление возбужденного состояния означает большую удаленность друг от друга электронов. Когда N-V находится во внешнем магнитном поле, то оно не влияет ни на m_s=0 состояния ни на A состояние, но оно расщепляет m_s = ±1 уровни. Если магнитное поле сориентировано вдоль оси дефекта и его величина достигает 1027 Гаус, то m_s = −1 и m_s = 0 уровни в основном состоянии имеют одинаковую энергию. При этом они сильно взаимодействуют через т. н. спиновую поляризацию, что очень сильно влияет на интенсивность оптического поглощения и люминесценции этих уровней .

Для того чтобы это понять необходимо иметь в виду, что переходы между электронными состояниями происходят с сохранением полного спина. По этой причине переходы ³E↔A and A ↔ ³A безизлучательные и тушат люминесценцию. Тогда как переход m_s = −1 ↔ m _s =0 запрещён в отсутствии поля и становится разрешенным когда магнитное поле перемешивает m_s = −1 and m_s = 0 уровни основного состояния. Результатом является то, что интенсивность люминесценции можно сильно модулировать магнитным полем.

Возбужденное состояние ³E дополнительно расщеплено благодаря орбитальному вырождению и спин-орбитальному взаимодействию. Это расщепление может быть промодулировано внешним статическим как электрическим, так и магнитным полями .

Расстояние между уровнями m_s = 0 и m_s = ±1 приходится на микроволновый диапазон. Облучая центр микроволновым полем можно изменять населенность подуровней основного состояния и тем самым модулировать интенсивность люминесценции. Эта техника называет методом электронного парамагнитного резонанса.

Сила осцилятора перехода

Переход из основного триплетого состояния A³ в возбужденное триплетное состояние Е³ имеет большую силу осциллятора — 0,12, что позволяет легко детектировать этот переход оптическими методами. Хотя тонкая структура возбужденного состояния сильно зависит от окружения центра, но известно, что переход из возбужденного m_s=0 в основное m_s=0 состояние сохраняет спин состояния. Тогда как переход из состояний m_s=±1 в m_s=0 происходит безизлучательныи способом. Этот переход осуществляется в два этапа — через синглетное состояние A.

Существует также дополнительное расщепление состояний m_s = ±1 являющееся результатом сверхтонкого взаимодействия между ядерным и электроным спинами. В итоге, спектр поглощения и люминесценсии N-V центра состоит приблизительно из дюжины узких линий разделённых на несколько МГц-ГГц. Интенсивность и положение этих линий может быть промодулированы следующими способами:

Установка для исследования свойств NV-центров. Основой установки является конфокальный микроскоп. В состав которого входит высокоапертурный имерсионный объектив OBJ, линзы, одномодовое оптическое волокно, и дихроичные зеркала. SPCM—счетчик одиночных фотонов, гальванометр — сканирует пучок света от зеленого лазера по поверхности образца

• амплитуда и направление магнитного поля, которое расщепляет состояния m_s = ±1 в основном и возбужденных термах.
• амплитуда и направление механического или электрического напряжений
• непрерывное микроволновое излучение
• лазерное излучение, возбуждающее селективно тот или иной уровень основного состояния импульсное микроволновое излучениеи возбуждает в центрах динамические эффекты

Микроволновый импульс когерентно возбуждает электронные спины центра, за состоянием электронных спинов следят по флуоресценции оптических переходов. Динамические эффекты весьма важны при создании квантовых компьютеров.