ZnO纳米柱无序介质中泵浦面积对局域模发射的影响

基于ZnO纳米柱制备及发光实验,建立了ZnO纳米柱的位置和大小都是无序的二维介质结构模型.通过构建增益模型,用时域有限差分法数值模拟了无序介质中频谱特性以及ZnO增益频谱范围内的某一个共振峰对应的波源在无序介质中的光场分布情况,发现了局域模的存在.分四种情况讨论了此局域模的受激辐射与泵浦面积的关系:改变泵浦功率,从左到右依次增加两层ZnO纳米柱泵浦和单独泵浦一个局域区域;泵浦功率一定时,增加泵浦局域区域和非局域区域中ZnO纳米柱个数.结果表明:存在一个临界泵浦功率,当泵浦功率小于临界泵浦功率时,无论泵浦面积多大都不能激发局域模;当泵浦功率大于临界泵浦功率时,对于不同的泵浦功率,局域模被激发所需的临界泵浦面积不同;随着泵浦功率的增加,当泵浦面积一定时,光场相对强度呈递增趋势,当泵浦功率超过临界功率时,光场相对强度急剧上升.     

金刚石表面纳米尺度水分子的相变观测

水是自然界中最重要的物质之一,研究界面或受限体系的水分子动力学具有重要的科学意义.近些年新兴的基于氮-空位(NV)色心的纳米磁共振技术可以同时观测纳米尺度的核磁信号和温度.本文利用单个NV色心成功探测到金刚石表面纳米尺度水分子分别在固态和液态条件下的核磁信号,并通过改变温度成功观测到该纳米尺度水层的固-液相变.实验结果表明,基于NV色心的核磁共振技术可以有效地探测纳米尺度物质的结构和动力学行为,为纳米尺度受限体系相关科学的研究提供新的探测手段.     

金刚石纳米颗粒中氮空位色心的电子自旋研究

通过电子注入的方法制备了含氮空位色心单光子源的金刚石荧光纳米颗粒. 自旋回声测试结果表明, 纳米颗粒中氮空位色心的相干时间T₂很短, 介于0.86 μs至5.6 μs之间. Ramsey干涉条纹测试结果表明, 氮空位色心NV1点的退相干时间T₂^* 最大, 为0.7 μs, 其电子自旋共振谱可分辨的最小线宽为1.05 MHz. 并且NV1点的电子自旋共振谱可分辨氮空位色心本身的¹⁴N核自旋与 氮空位色心电子自旋之间的2.2 MHz超精细相互作用, 这对于在金刚石纳米颗粒中实现核自旋的操控和多个量子比特的门操作具有重要意义. 关键词： 纳米颗粒 氮空位色心 电子自旋     

基于金刚石体系中氮-空位色心的固态量子传感

在室温下,金刚石中的氮-空位(NV)色心具有荧光强度稳定、电子自旋相干时间长以及与生俱来的原子尺寸的特点,是优良的纳米量子传感器.在成像领域中,将各种超分辨成像显微技术应用于NV色心体系,发展出多种高空间纳米分辨率的成像方法.此外,NV色心作为固态量子比特可以通过光学方法对其进行初始化和读取.NV色心电子自旋量子态还可以与电磁场、应力等进行相干耦合.基于这些耦合,科研人员在实验上实现了对相关物理量纳米级空间分辨率的高灵敏表征.目前这些量子传感技术可以应用在新材料、单个蛋白质核自旋、活体神经元等方面的测量中.本综述主要介绍金刚石中NV色心纳米量子传感器件的工作原理、实验实现和优化以及在相关领域的应用.     

金刚石固态量子计算中的高分辨率成像

20世纪90年代中期,随着Shor算法和Grover算法的提出,量子计算领域得到广泛关注.金刚石固态NV色心方案作为量子计算机热门物理实现方案之一,因其在室温下的超长相干时间和可精确操控等独特优势而备受青睐;此外,NV色心还有望通过磁共振成像方式实现单核自旋探测.然而NV色心固态量子计算的一种扩展方式受限于相邻NV色心之间的磁偶极相互作用,要求两个NV色心之间相距只有数十纳米.这一尺度远小于普通远场光学的分辨率,即光学衍射极限,采用传统的共聚焦方法已无法分辨.受激发射损耗(STED)和基态损耗(GSD)等超分辨成像技术能够突破光学衍射极限限制,达到纳米量级的分辨率;同时结合最新的金刚石表面微纳刻蚀技术,可实现NV色心固态量子计算中不同色心的分辨和精确定位.该文从固态金刚石NV色心体系和光学衍射等主要方面对利用STED和GSD高分辨成像技术提高传统共聚焦显微镜对NV色心体系成像分辨率进行简要的介绍,并结合实例介绍一些最新的研究进展.     

银纳米颗粒对纳米金刚石的拉曼及荧光增强特性研究

纳米金刚石因其优异的光学特性成为当今纳米科学研究中的一个热点.利用等离激元效应提高nitrogenvacancy(NV)色心的荧光和拉曼散射强度,进而可以提高这类传感器的灵敏度.本文主要将纳米金刚石与Ag纳米颗粒结合,利用金属纳米颗粒表面的等离子体共振效应,使NV色心的荧光和拉曼强度得到增强.同时研究了Ag纳米颗粒的质量浓度对拉曼与荧光光谱强度的影响,并进一步研究了相应的荧光辐射跃迁速率与量子效率,对荧光的增强机制进行了探究.     

基于图像匹配加速算法的金刚石氮–空穴色心轴向识别

场矢量探测是量子精密测量的重要分支,在基础物理、生物医学、材料科学等领域,都有着广泛的应用.金刚石氮-空穴(Nitrogen-Vacancy Center)色心作为量子传感器,在室温下具有较长相干时间,可以实现纳米尺度的磁场探测.为了实现纳米分辨率的磁场重构,需要选取金刚石中三个不同轴向的NV色心作为磁场传感器.实验上...     

金刚石氮-空位色心的原子自旋声子耦合机理

金刚石氮-空位色心结构因在量子精密测量领域的高灵敏度优势而备受关注.本文引入耦合声子场对氮-空位色心原子自旋进行共振调控,以提高氮-空位色心的自旋跃迁效率.首先,基于波函数和晶格的点阵位移矢量关系,分析了声子与晶格能量交互作用,研究了基于声子共振调控的氮-空位色心的自旋跃迁机理,建立了基于应变诱导的能量转移声子-自旋交互耦合激发模型.其次,基于氮-空位色心晶格振动理论,引入满足布洛赫定理的系数矩阵,建立了不同轴向氮-空位色心第一布里渊区特征区域的声子谱模型.同时,基于德拜模型,考虑热膨胀效应,解析该声子共振系统的声子热平衡性质,并对其比热模型进行研究.最后,基于分子动力学仿真软件CASTEP和密度泛函理论进行第一性原理研究,构建了声子模式下不同轴向氮-空位色心的结构优化模型,并分析了其结构特性、声子特性和热力学特性.研究结果表明,系统声子模式的演化依赖于氮-空位的占位,声子模式强化伴随着热力学熵的降低.含氮-空位色心金刚石的共价键较纯净无缺陷金刚石更弱,热力学性质更不稳定.含氮-空位色心金刚石的声子主共振频段处于THz量级,次共振频率约为[800,1200]MHz.根据次共振频段设计叉指宽度为1.5μm的声表面波共振机构,其中心频率约为930 MHz.在该声子共振调控参数条件下,声子共振调控方法可有效增大氮-空位色心的自旋跃迁概率,实现氮-空位色心原子自旋操控效率的提高.     

金刚石集群氮空位(NV)色心自旋态调控设计与实现

金刚石氮空位(nitrogen vacancy,NV)中心的天然能级系统可以在激光泵浦和微波辐射下进行初始化、量子操控和光学读取。实验中需外加特定激光泵浦和微波辐射来实现对NV色心自旋态的操控,并通过荧光数布居变化来表征自旋态。本文基于LabVIEW软件,设计开发了集群NV色心自旋态调控与读出软件系统。结果显示,本系统可以实现对激光和微波脉冲序列的精确编码,编码精度可达3ns,并初步得到了室温下集群NV色心的电子自旋共振谱线,为下一步集群NV色心自旋态调控研究的自动化、集成化奠定了基础。     

多晶金刚石薄膜硅空位色心形成机理及调控

金刚石硅空位色心在量子信息技术和生物标记领域有重要应用前景.本文对硅衬底上多晶金刚石生长过程中硅空位色心形成机理及调控方法进行研究.通过改变金刚石生长氛围中的氮气和氧气比例,实现了对硅空位色心发光强度的有效调控,所制备系列多晶金刚石样品的光致发光光谱显示,硅空位色心荧光峰与金刚石本征峰的比值最低为1.48,最高可达334.46,该比值与金刚石晶粒尺寸正相关.进一步用光致发光面扫描和拉曼面扫描分析样品可知,多晶金刚石中的硅应来自于硅衬底,在多晶金刚石生长过程中,衬底硅单质先扩散至金刚石晶粒处,随着金刚石晶粒生长,硅单质再扩散并入金刚石晶体结构中形成硅空位色心.不同样品硅空位发光强度的差异,是由于生长过程中氮气和氧气对金刚石硅空位色心的形成分别起到促进和抑制的作用.     

平面偏振光激励的多孔硅的光致发光

研究了以掠入射的平面偏振光激励的多孔硅的光致发光。实验结果显示，光的入射角对多孔硅的发光行为影响不大，然而，以ｚ方向偏振光激励的发光强度明显高于以ｘ方向偏振光激励的发光强度。激励光电场相对于样品表面的不同取向引起光致发光的差异，这反映多孔硅的光学性质是各向异性的，也排除了纯粹的硅量子点的集合作为多孔结构的可能性。     

产生纳米级暗中空光束的方法研究

用时域有限差分法，给出光纤头近场区电场强度模的空间分布.讨论了当光纤纤芯分别取不同尺寸时，对此空间光场强度的影响.要想得到较大范围的暗中空光束，必须增加光纤纤芯尺寸.并且，对光纤纤芯尺寸取一较大值和光纤中空区域尺寸取一较小值时的情况进行讨论，可得在光纤头附近可以出现与光纤中空区域尺寸大小相当的暗斑(10¹ nm量级).但是，暗中空光束中背景光较强.为此，将光纤的空心设计为金属. 发现此时中心暗斑的背景光明显减弱，在近场区域可获得较为理想的暗中空光束.如进一步缩小光纤中空区域尺寸，可以在光纤头附近获得暗斑更小甚至纳米量级的暗中空光束.为获得一种纳米量级的暗中空光束提供一种方法.     

Self-formation of GaN hollow nanocolumns by inductively coupled plasma etching

GaN hollow nanocolumns were formed by inductively coupled plasma etching. It was found that the tops of the GaN nanocolumns were hexagonal with the c axis perpendicular to the substrate surface. It was also found that the density of the GaN nanocolumns depends strongly on etching parameters, which suggests that the formation of these GaN nanocolumns was not related to the dislocation density in the original GaN epitaxial layers. With an Ar concentration of 42.86%, it was found that the diameter of the whole nanocolumns was around 80 nm and the diameter of the nanocavities inside these nanocolumns was around 40 nm, while the density of the nanocolumns was around 4.4×10⁹ cm^-2. PACS 68.65.-K; 61.70.+w; 81.10.BK     

The model of internal column of hollow cathode vacuum discharge

Analyzes the characteristics of rarefied, nonequilibrium-state plasmas in the internal column of a hollow cathode discharge (HCD). The analysis is based on the theory of plasma disintegration in a strong electric field (Dreicer 1959, 1960). It is demonstrated that this process has a crucial influence upon the forming of directed flux of electrons with energy values 20-30 eV at the exit of the hollow cathode. The obtained values significantly exceed the energy of thermal motion of electrons in the plasma disintegration zone. A new method is suggested of calculating electron density and electric field intensity in respect to the axis of the internal column in the channel model of the discharge. In addition, a method is presented of calculating the length of the internal column and the energy of the directed electron flux at the exit of the hollow cathode on the basis of HCD fundamental parameters     

基于金刚石色心自旋磁共振效应的微位移测量方法

基于压电陶瓷精密微位移系统的扫描探测技术是目前精密测量仪器进行微纳区域/结构性能测试的核心系统,但压电陶瓷材料存在迟滞、非线性问题,限制了对微位移分辨能力的提升.本文以金刚石氮空位色心为敏感单元,利用电子自旋效应对磁场强度的高分辨敏感机理,结合永磁体周围不同位置对应的磁场强度变化关系,提出了一种基于金刚石氮空位色心电子自旋敏感机理的微位移检测方法.通过建立电子自旋效应与微位移的关联模型,搭建了相应的微位移测量系统.经实验验证,该系统对微位移测试的灵敏度为16.67 V/mm,检测分辨率达到60 nm,实现了对微位移的高分辨率测量.并通过理论分析,该系统的微位移测量分辨率可进一步提升至亚纳米级水平,为新型微位移测量技术提供了发展方向和研究思路.     

Transmission of an obliquely incident beam of light through small apertures in a metal film

We recently found that the intensity of the electric near field of a triangular aperture in a metal film is strongly localized at one edge of the aperture for incident light polarized perpendicular to this edge. Previous numerical calculations of the near field of a triangular aperture in a planar metal film, using the field susceptibility technique, yielded a nearly quantitative agreement with the experiments. Using this numerical technique, we have investigated the influence of an obliquely incident plane wave on the near field of small circular and triangular apertures. An interpretation of the numerical results leads to a deeper understanding of the way in which light transmission through the aperture is excited. The data suggest that after excitation of currents in the metal film by the incident light, a scattering of these currents by the aperture generates the near field of the aperture. We found that the excitation of small apertures (size <100 nm) is due to a tangential magnetic field whereas the perpendicular electric field plays no role. The excitation of a small aperture can thus be described exclusively by a magnetic polarizability. We found that for thin metal films an interference of the scattered field with the field transmitted through the metal film changes the near field pattern. PACS 41.20.-q; 42.79.Ag; 68.37.Uv; 78.67.-n     

胆甾相液晶电控螺旋畸变导致的布拉格反射特性

研究了平面织构胆甾相液晶在垂直于螺旋轴方向施加电场后,引起螺旋畸变导致布拉格反射光强度变化特性,利用液晶矩阵光学,琼斯矩阵法与Matlab矩阵计算软件对有螺旋畸变情况下的布拉格反射光谱特性进行了分析和数值计算.从数值计算和实验结果可知,胆甾相液晶在其垂直螺旋轴方向施加不同电压电场时,布拉格反射光中心波长不随电压改变,而布拉格反射光强会随电压的增大而减弱.提出一种电致螺旋畸变模型,对实验结果和数值计算结果给出了合理的解释,认为利用电场改变胆甾相液晶螺距进而设计电控颜色变化液晶器件的原理是不可靠的.     

GaAs半导体量子箱中电子的斯塔克效应

在有效质量近似下,利用变分法研究了在GaAs半导体量子箱中电子能量的斯塔克效应.结论表明：电场平行于量子箱的中心轴时,斯塔克能移只与量子箱高度有关;电场垂直于中心轴时,斯塔克能移仅仅与它的截面尺寸有关.当电场方向与中心轴夹角为任意角时,斯塔克能移与高度和截面都有关.同时在低场和高场极限下,理论上分析了电场大小和量箱尺寸对斯塔克能移的影响.     

GaAs半导体量子箱中电子的斯塔克效应

在有效质量近似下,利用变分法研究了在GaAs半导体量子箱中电子能量的斯塔克效应.结论表明:电场平行于量子箱的中心轴时,斯塔克能移只与量子箱高度有关;电场垂直于中心轴时,斯塔克能移仅仅与它的截面尺寸有关.当电场方向与中心轴夹角为任意角时,斯塔克能移与高度和截面都有关.同时在低场和高场极限下,理论上分析了电场大小和量箱尺寸对斯塔克能移的影响.     

Creation of entangled state between two spaced NV centers in diamond

A method for creating an entangled state between two NV centers in a diamond that do not interact directly with each other is studied. The method is based on the excitation of centers via a half divider (a 50% beamsplitter) with the subsequent coherent inversion of the spin of the excited center and the detection of a photon emitted by the excited center. The parameters of a multimode single-photon pulse that make it possible to achieve a maximally possible excitation of the centers at a given solid angle of the focusing of the light on the center are found. The probability to create an entangled state in relation to the parameters of the initial state of a photon, the turn-on and turn-off times of the microwave pulse and the light focusing solid angle is determined. Optimal values of these parameters that ensure a maximal probability of the entanglement creation are determined.