Centra barwne azot-wakancja w diamencie - od klejnotów do technologii kwantowych

• Autorzy: Mrózek Mariusz , Wojciechowski Adam M. , Gawlik Wojciech
• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

Diamenty zachwycają doskonałym pięknem i niezwykłymi właściwościami. Najczęściej kojarzone są z branżą jubilerską lub z zastosowaniem w przemyśle szlifierskim. Najciekawsze i najważniejsze własności diamentów związane są z tym, że możemy je badać i modyfikować do nietypowych zastosowań. W szczególności specyficzne defekty diamentu, centra barwne azot-wakancja, otwierają niezwykle ciekawe możliwości, z których kilka opisujemy poniżej. W artykule omówione zostały podstawowe właściwości diamentów, ich pochodzenie i metody sytetyzowania, a także niedoskonałości struktury krystalicznej diamentu, które mogą wykazywać nowe właściwości optyczne i spektroskopowe. Druga część artykułu prezentuje strukturę i właściwości jednego z takich defektów - centrum barwnego azot-wakancja (NV). W końcowej części omówione zostały praktyczne zastosowania centrów NV w charakterze czujnika wielkości fizycznych takich jak pole magnetyczne i temperatura, a także w dziedzinie przetwarzania informacji kwantowej - być może zaowocuje to powstaniem komercyjnego komputera kwantowego zbudowanego na ciele stałym.

EN

Diamonds impress with their perfect beauty and extraordinary properties. They are most often associated with the jewellery industry or with the use in grinding industry. The most interesting and important ones can be studied and modified. In particular, specific diamond defects, the nitrogen-vacancy color centers, have extremely interesting properties. They also allow for very attractive applications, some of which are described below. Here we discuss the basic properties of diamonds, their origin, and methods of synthesis, as well as the defects of their crystal structure, which may exhibit exciting new optical properties. In the second part of the article, we focus on the structure and properties of one such defect - the nitrogen-vacancy (NV) color center. The following parts present some practical applications of NV centers as sensors of physical quantities such as magnetic field and temperature, as well as in the field of quantum information processing. The latter option opens a window to the construction of a commercial solid-state quantum computer, which would be a great help in mass production.

Słowa kluczowe

PL

diament; centra barwne; spektroskopia

EN

diamond; color centers; spectroscopy

• Wydawca: Polskie Towarzystwo Fizyczne
• Czasopismo: Postępy Fizyki
• Rocznik: 2023
• Tom: T. 74, z. 1
• Strony: 2--13
• Opis fizyczny: Bibliogr. 38 poz., rys., wykr.

Twórcy

autor

Mrózek Mariusz

• Wydział Fizyki, Astronomii i Informatyki Stosowanej Uniwersytetu Jagiellońskiego w Krakowie

• https://orcid.org/0000-0003-1824-8357

autor

Wojciechowski Adam M.

• Wydział Fizyki, Astronomii i Informatyki Stosowanej Uniwersytetu Jagiellońskiego w Krakowie

• https://orcid.org/0000-0003-1805-6718

autor

Gawlik Wojciech

• Wydział Fizyki, Astronomii i Informatyki Stosowanej Uniwersytetu Jagiellońskiego w Krakowie

• https://orcid.org/0000-0002-9886-5736

Bibliografia

• [1] I. Szlęk, „Diamenty – historia, szlify, wartość”, Galeria Biżuterii Dawnej – https://bizuteriadawna.pl/co-nieco-o-diamentach.html [dostęp 2022-12-12].
• [2] R. Tappert, M.C. Tappert, “The Origin of Diamonds” Diamonds in Nature Springer, Berlin, Heidelberg, 2011.
• [3] https://www2.bgs.ac.uk/mineralsuk/download/world_statistics/2010s/WMP_2016_2020.pdf [dostęp 2022-11-29].
• [4] K. Nassau, J. Nassau, “The history and present status of synthetic diamond”, Journal of Crystal Growth 46(2), (1979).
• [5] Y. Zhang, C. Zang, H. Ma, Z. Liang, L. Zhou, S. Li, X. Jia, “HPHT synthesis of large single crystal diamond doped with high nitrogen concentration”, Diamond and Related Materials, 17(2), (2008).
• [6] F.G. Celii, J.E. Butler, “Diamond Chemical Vapor Deposition” Annual Review of Physical Chemistry, 42(1), (1991)
• [7] V. Pichot, M. Comet, E. Fousson, C. Baras, A. Senger, F. Le Normand, D. Spitzer, “An efficient purification method for detonation nanodiamonds”, Diamond and Related Materials, 17(1), (2008).
• [8] https://pl.wikipedia.org/wiki/Szungit [dostęp 2023-01-16].
• [9] https://www2.bgs.ac.uk/mineralsuk/download/world_statistics/2010s/WMP_2014_2018.pdf [dostęp 2022-11-22].
• [10] https://www.statista.com/statistics/280216/global-synthetic-diamond-production/#:~:text=In%202019%2C%20the%20global%20production,than%20as%20gemstones%20in%20jewelry [dostęp 2022-11-22].
• [11] A. Zaitsev, Optical Properties of Diamond Springer, Berlin, Heidelberg, 2001.
• [12] J. Tomkovič, M. Schreiber, J. Welte, M. Kiffner, J. Schmiedmayer, M. K. Oberthaler, “Single spontaneous photon as a coherent beamsplitter for an atomic matter-wave”, Nature Physics 7, 379–382, (2011).
• [13] V. M. Acosta, E. Bauch, M. P. Ledbetter, A. Waxman, L.-S. Bouchard, and D. Budker, “Temperature dependence of the nitrogen-vacancy magnetic resonance in diamond”, Physycal Review Letters 104, 070801, (2011).
• [14] M. W. Doherty, V. V. Struzhkin, D. A. Simpson, L. P. McGuinness, Y. Meng, A. Stacey, T. J. Karle, R. J. Hemley, N. B. Manson, L. C. L. Hollenberg, and S. Prawer, “Electronic properties and metrology applications of the diamond NV− center under pressure” Physical Review Letters 112, 047601, (2014).
• [15] D. Le Sage, L. M. Pham, N. Bar-Gill, C. Belthangady, M. D. Lukin, A. Yacoby, and R. L. Walsworth, “Efficient photon detection from color centers in a diamond optical waveguide”, Phys. Rev. B 85, 121202(R), (2012).
• [16] P. Maletinsky, S. Hong, M. Grinolds, B. Hausmann, M. D. Lukin, R. L. Walsworth, M. Loncar, A. Yacoby “A robust scanning diamond sensor for nanoscale imaging with single nitrogen-vacancy centres”, Nature Nanotechnology 7, 320–324, (2012).
• [17] B. Grotz, M. V. Hauf, M. Dankerl, B. Naydenov, S. Pezzagna, J. Meijer, F. Jelezko, J. Wrachtrup, M. Stutzmann, F. Reinhard, J. A. Garrido, “Charge state manipulation of qubits in diamond”, Nature Communications, 3(1), 729, (2012).
• [18] V. M. Acosta, E. Bauch, M. P. Ledbetter, C. Santori, K.-M. C. Fu, P. E. Barclay, R. G. Beausoleil, H. Linget, J. F. Roch, F. Treussart, S. Chemerisov, W. Gawlik, and D. Budker, “Diamonds with a high density of nitrogen-vacancy centers for magnetometry applications”, Physical Review B 80, 115202, (2009).
• [19] https://www.nobelprize.org/uploads/2018/06/kastler-lecture.pdf [dostęp 2022-10-21].
• [20] V.M. Acosta, D. Budker, P.R. Hemmer, J.R. Maze, and R.L. Walsworth Optical magnetometry with nitrogen-vacancy centers in diamond, Oxford University Press, 2013.
• [21] Y. N. Palyanov, Y. M. Borzdov, A. F. Khokhryakov, I. N. Kupriyanov, A. G. Sokol, “Effect of Nitrogen Impurity on Diamond Crystal Growth Processes”, Crystal Growth & Design, 10(7), (2010).
• [22] E. V. Levine, M. J. Turner, P. Kehayias, C. A. Hart, N. Langellier, R. Trubko, D. R. Glenn, R. R. Fu, R. L. Walsworth, “Principles and techniques of the quantum diamond microscope”, Nanophotonics, 8(11), (2019),
• [23] L. Rondin, J-P. Tetienne, T. Hingant, J-F. Roch, P. Maletinsky and V, Jacques “Magnetometry with nitrogen-vacancy defects in diamond ”, Reports on Progress in Physics, 77, 056503, (2014).
• [24] K. Arai, A. Kuwahata, D. Nishitani, I. Fujisaki, R. Matsuki, Y. Nishio, Z. Xin, X. Cao, Y. Hatano, S. Onoda, C. Shinei, M. Miyakawa, T. Taniguchi, M. Yamazaki, T. Teraji, T. Ohshima, M. Hatano, M. Sekino, T. Iwasaki, “Millimetre-scale magnetocardiography of living rats with thoracotomy”, Communications Physics, 5(2), (2022).
• [25] M. Mrózek, D. Rudnicki, P. Kehayias, A. Jarmola, D. Budker, W. Gawlik, “Longitudinal spin relaxation in nitrogen-vacancy ensembles in diamond”, EPJ Quantum Technology, 2 (22) (2015).
• [26] A. Filipkowski, M. Mrózek, G. Stępniewski, J. Kierdaszuk, A. Drabińska, T. Karpate, M. Głowacki, M. Ficek, W. Gawlik, R. Buczyński, A. Wojciechowski, R. Bogdanowicz, M. Klimczak, “Volumetric incorporation of NV diamond emitters in nanostructured F2 glass magneto-optical fiber probes”, Carbon, 196, (2022).
• [27] M.W. Doherty, V. M. Acosta, A. Jarmola, M. S. J. Barson, N. B. Manson, D. Budker, L. C. L. Hollenberg, “Temperature shifts of the resonances of the NV- center in diamond”, Physical Review B, 90, 041201(R), (2014).
• [28] M. Mrózek, Mikrofalowa spektroskopia saturacyjna w centrach barwnych NV− w diamentach, praca doktorska, UJ, Kraków, 2017.
• [29] A. Jarmola, V. M. Acosta, K. Jensen, S. Chemerisov, D. Budker, “Temperature and magnetic field dependent longitudinal spin relaxation in nitrogen-vacancy ensembles in diamond”, Physical Review Letters, 108, 197601 (2012).
• [30] S. Sengottuvel, M. Mrózek, M. Sawczak, M. J. Głowacki, M. Ficek, W. Gawlik, A. M. Wojciechowski, “Wide-field magnetometry using nitrogen-vacancy color centers with randomly oriented micro-diamonds”, Scientific Reports, 12, 17997 (2022).
• [31] P. Czarnecka, M. Jani, S. Sengottuvel, M. Mrózek, P. Dąbczyński, A. Filipkowski, I. Kujawa, D. Pysz, W.Gawlik, A. M. Wojciechowski, “Magnetically-sensitive nanodiamond thin-films on glass fibers”, Optical Materials Express 12, 444-457, (2022).
• [32] D. R. Glenn, K. Lee, H. Park, R. Weissleder, A. Yacoby, M. D. Lukin, H. Lee, R. L. Walsworth, C. B. Connolly, “Single-cell magnetic imaging using a quantum diamond microscope”, Nature Methods, 12, 736–738, (2015).
• [33] T. Gaebel, M. Domhan, I. Popa, C. Wittmann, P. Neumann, F. Jelezko, J. R. Rabeau, N. Stavrias, A. D. Greentree, S. Prawer, J. Meijer, J. Twamley, P. R. Hemmer, J. Wrachtrup, “Room-temperature coherent coupling of single spins in diamond”, Nature Physics, 2, 408–413, (2006).
• [34] R. Hanson, F. M. Mendoza, R. J. Epstein, and D. D. Awschalom, “Polarization and Readout of Coupled Single Spins in Diamond”, Physical Review Letters 97, 087601, (2006).
• [35] Ch. Kurtsiefer, S. Mayer, P. Zarda, H. Weinfurter, “Stable Solid-State Source of Single Photons”, Physical Review Letters, 85, 290, (2000).
• [36] M. Y. Shalaginov, V. V. Vorobyov, J. Liu, M. Ferrera, A. V. Akimov, A. Lagutchev, A. N. Smolyaninov, V. V. Klimov, J. Irudayaraj, A. V. Kildishev, A. Boltasseva, and V. M. Shalaev, “Single-photon source based on NV center in nanodiamond coupled to TiN-based hyperbolic metamaterial”, CLEO, paper JTu4A.38, (2014).
• [37] Ph. Tamarat, T. Gaebel, J. R. Rabeau, M. Khan, A. D. Greentree, H. Wilson, L. C. L. Hollenberg, S. Prawer, P. Hemmer, F. Jelezko, J. Wrachtrup, “Stark Shift Control of Single Optical Centers in Diamond”, Physical Review Letters, 97, 083002, (2006).
• [38] A. Batalov, C. Zierl, T. Gaebel, P. Neumann, I.-Y. Chan, G. Balasubramanian, P. R. Hemmer, F. Jelezko, and J. Wrachtrup,“Temporal Coherence of Photons Emitted by Single Nitrogen-Vacancy Defect Centers in Diamond Using Optical Rabi-Oscillations”, Physical Review Letters, 100, 077401, (2008).