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金刚石NV色心结构和性质

NV色心

2020/12/02

金刚石是碳元素的一种同素异形体，晶格属于面心立方结构，每个碳原子与邻近的碳原子以共价键相连，且采取sp³轨道杂化，碳-碳键的键长是154pm，具有高硬度、透明、高热导率等一系列优良特性，天然金刚石是价格昂贵的装饰品，在工业领域和科研领域也有着重要应用。NV色心是金刚石中的一种点缺陷，一个氮原子替位了一个碳原子，并在紧邻的位置有个空位，其对称点群是C_3v。NV色心可以有几种不同的电荷态：NV⁰，NV⁺和NV^-。来自空位悬挂键有三个电子，氮原子提供两个电子，这个五个电子填充的NV色心的分子能级，得到的就是NV⁰，其自旋量子数是S=1/2。捕获或者电离一个电子，会变成NV^-或者NV⁺，他们的自旋量子数分别为S=1和S=0。尽管这三种电荷态的NV色心都被实验研究过，但目前应用最为广泛，性质最为优良的还是NV^-。

选取基态的|m_s= 0?和|m_s= 1?作为量子比特，NV色心的自旋极化就对应于将量子比特的初态极化到|0?态。由于|m_s = ±1?态有更大的概率通过无辐射跃迁，回到基态。所以|m_s = 0?态的荧光比|m_s= ±1?态的荧光强度大，实验上得出约大20-40%。根据|m_s = 0?态和|m_s = ±1?对应荧光强度的差别，就可以区分NV 色心的自旋态，即实现对自旋量子比特状态的读出。

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