quNV量子金刚石磁力计

这种量子金刚石磁力计及其实验将向学生介绍量子传感的概念。 quNV的设计基于近期的科学研究成果，并在一个简单且用户友好的系统中展示了量子传感，用于高校学生实验室课程。

quNV的核心是具有氮空位 (NV) 中心集合的 HPHT 金刚石。 NV 中心可以被可见光谱中的光激发。 激发态直接或通过具有不同荧光强度的中间搁置态衰减回基态。 衰变路径取决于 NV 中心的电子自旋。 因此，可以光学地读出电子自旋。

微波辐射可以进一步控制电子自旋。 通过施加磁场和电场，可以改变自旋的能级。 因此，不同的实验和测量应用是可能的。

一、quNV量子金刚石磁力计主要特征

二、quNV 量子金刚石磁力计核心组件

基础 quNV 的核心是具有氮空位 (NV) 中心集合的 HPHT 金刚石。 NV 中心可以被可见光谱中的光激发。 激发态直接或通过具有不同荧光强度的中间搁置态衰减回基态。 衰变路径取决于 NV 中心的电子自旋。 因此，可以光学地读出电子自旋。

激光激发

NV 中心由波长为 520nm 的强大 100mW 连续波激光器激发。 激光被准直和扩展，为以下显微镜物镜创造zui 佳条件。 物镜将激光聚焦到掺氮金刚石上。

钻石样品堆

由物镜聚焦的激光光斑会击中内置在电路板上的钻石。 微波天线也集成在电路板上。 它安装在样品本身所附着的堆栈上。 根据实验的不同，带有天线和钻石的电路板可以用其他带有不同钻石的电路板代替。

微波扫描和脉冲

微波辐射由电路板内的天线发射。 它由 quNV 底部的电子元件控制。 微波可以改变幅度、扫频甚至是脉冲的。

亥姆霍兹线圈

三个亥姆霍兹线圈围绕样品堆。 这三个线圈产生均匀的磁场作为 NV 中心的偏置。 所有三个线圈也可以单独控制以在三个维度上调整场。 出于安全原因，线圈配备有温度监测传感器。

模式生成器

quNV 底座中的电子设备还包括一个图案发生器。 该图案发生器可以控制和脉冲激光、微波和用于荧光读出的光电二极管。 可以将不同的脉冲模式应用于所有三个组件，其间具有所需的时间间隔。 连续激光可以脉冲用于激发和读出，微波用于发射 π 和 π/2 脉冲，光电二极管门控。

光电二极管

来自激发的 NV 中心的荧光也被显微镜物镜收集，并通过相同的光路返回仪器顶部的单元。 在那里，红色荧光通过双色镜与绿色激发激光分离。 在两个反射镜进行正确对齐后，荧光被带通过滤以仅测量红色荧光，而不是激发激光或环境。 zui后，光聚焦在快速光电二极管的有源区。

测量

在基本测量中，设置了亥姆霍兹线圈的偏磁场。然后激光激发钻石中的 NV 中心，在红色光谱中发出荧光。该光被光电二极管检测到。现在扫描微波频率。绘制该频率与荧光强度的关系图显示了 NV 中心的共振频率。

通过显微镜物镜通过光电二极管对 NV 中心进行荧光测量。

用于激光、微波和光电二极管读出的脉冲和定时的图案发生器。

三、quNV 量子金刚石磁力计应用

NV 中心的动态特性允许自旋初始化和状态读出等应用。因此，该中心适用于磁场传感、自旋弛豫时间测量和光学检测磁共振 (ODMR) 等量子传感应用。

由于它们的可扩展性、长相干时间和与光子相互作用的能力，NV 中心对量子信息处理的研究具有很高的兴趣。量子比特可以定义为单电子或核自旋的自旋态。

通过显微镜物镜对 NV 中心进行激光激发。

可进行的实验：

以下是您可以使用quNV进行的实验列表：            

NV中心荧光                              

光学检测磁共振 (ODMR) 显微镜                  

塞曼效应                               

晶格中 NV 中心的方向                       

磁场感应

自旋初始化和读出（T1 时间）

拉比振荡

脉冲序列开发

相干时间 T2

拉姆齐序列

动态解耦，Hahn Echo

quNV的可能应用包括：

学生实验室课程实验

讲座中的演示实验

学生研究中心的项目套件

四、quNV 量子金刚石磁力计变体和升级

NV 量子传感套件的核心单元可以进一步补充和升级，以使用单个 NV 中心进行实验或将设置用作全量子显微镜。

显微镜变体

此变体将让您更深入地了解 NV 中心显微镜在不同样品（例如地质或生物样品）的磁性分析中的应用。

掺杂钻石

在显微镜变体的核心，有一个化学纯 CVD 钻石，其 NV 中心在钻石表面下方均匀分布，以便zui 好地将它们与

样品的磁性耦合。

目标

具有所需幅度和匹配光学设置的物镜将完成磁场显微镜图像的排列。

相机

代替光电二极管或单光子变体的 APD，可以使用相机同时获得钻石和样品的宽视场。然后可以显示如何在该视场上执行 ODMR 测量，以同时确定每个点的磁场。

传感套件

尝试不同掺杂钻石的效果，并使用它们对不同样品进行显微测量。

掺杂钻石

在不同深度层中掺杂的钻石的选择，并且 NV 中心的不同浓度指向不同的方向。

样品

不同的切割和抛光岩石样品显示出地质领域有趣的磁性。

单光子变体

使用此变体，您将获得在特别准备的钻石中定位和操作单个 NV 中心的能力。

高数值孔径共聚焦显微镜

高 NA 物镜和以下共焦显微镜设置可以将高百分比的发射荧光光子耦合到通向检测器的光纤中。

钻石样品

具有超低 NV 中心浓度的特制化学纯 CVD 金刚石是该变体的核心，以确保焦点中的单个和孤立的 NV 中心。

压电平台

高精度压电平台允许对观察区域进行精确控制和扫描，以便发现缺陷并保持专注。

单光子探测器

具有清晰时间分辨率的基于光纤的高效雪崩光电二极管完善了系统。LGBT升级

LGBT升级

测量 g (2)函数以证明发射的光子不能被分裂，并且 NV 中心是真正的单光子源。

光纤分束器

单个光子被引导到分束器以尝试将它们分开。

附加单光子探测器

使用额外的单光子探测器，可以测量发射光子的光子统计数据。

皮秒定时分辨率

借助从我们的 quTAG 时间标记器系列中借用的技术，可以将 APD 信号分析到皮秒时域，以显示高分辨率 g 掺杂钻石

在显微镜变体的核心，有一个化学纯 CVD 钻石，其 NV 中心在钻石表面下方均匀分布，以便zui 好地将它们与

样品的磁性耦合。

目标

具有所需幅度和匹配光学设置的物镜将完成磁场显微镜图像的排列。

相机

代替光电二极管或单光子变体的 APD，可以使用相机同时获得钻石和样品的宽视场。然后可以显示如何在该视场上执行 ODMR 测量，以同时确定每个点的磁场。

传感套件

尝试不同掺杂钻石的效果，并使用它们对不同样品进行显微测量。

掺杂钻石

在不同深度层中掺杂的钻石的选择，并且 NV 中心的不同浓度指向不同的方向。

样品

不同的切割和抛光岩石样品显示出地质领域有趣的磁性。

单光子变体

使用此变体，您将获得在特别准备的钻石中定位和操作单个 NV 中心的能力。

高数值孔径共聚焦显微镜

高 NA 物镜和以下共焦显微镜设置可以将高百分比的发射荧光光子耦合到通向检测器的光纤中。

钻石样品

具有超低 NV 中心浓度的特制化学纯 CVD 金刚石是该变体的核心，以确保焦点中的单个和孤立的 NV 中心。

压电平台

高精度压电平台允许对观察区域进行精确控制和扫描，以便发现缺陷并保持专注。

单光子探测器

具有清晰时间分辨率的基于光纤的高效雪崩光电二极管完善了系统。

LGBT升级

测量 g (2)函数以证明发射的光子不能被分裂，并且 NV 中心是真正的单光子源。

光纤分束器

单个光子被引导到分束器以尝试将它们分开。

附加单光子探测器

使用额外的单光子探测器，可以测量发射光子的光子统计数据。

皮秒定时分辨率

借助从我们的 quTAG 时间标记器系列中借用的技术，可以将 APD 信号分析到皮秒时域，以显示高分辨率 g (2)下降。

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