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Resonancia magnética detectada ópticamente

En física, la resonancia magnética detectada ópticamente ( ODMR ) es una técnica para detectar sistemas cuánticos con transiciones ópticas dependientes del espín . En el caso de...

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En física, la resonancia magnética detectada ópticamente ( ODMR ) es una técnica para detectar sistemas cuánticos con transiciones ópticas dependientes del espín . En el caso de defectos puntuales fluorescentes ( centros de color ) en cristales, la "señal ODMR" se refiere a un cambio en la intensidad de fluorescencia del defecto debido a un campo magnético alterno aplicado simultáneamente . Cuando la frecuencia del campo magnético resuena con una transición de espín, lo que significa que la frecuencia coincide con el desdoblamiento de energía entre dos estados de espín, el sistema de espín experimenta oscilaciones de Rabi entre los dos estados. Si los dos estados de espín tienen intensidades de fluorescencia diferentes, esto resulta en un cambio en la fluorescencia del defecto. Esto se puede utilizar para medir propiedades del espín, como el desdoblamiento en campo cero y la relación giromagnética. [ 1 ] Puede haber muchas transiciones de espín, y sus características observadas con ODMR (principalmente frecuencia y ancho de línea) dependen sensiblemente de las condiciones de la medición, lo que motiva el uso de ODMR como técnica para la detección cuántica . [ 2 ]

Al igual que la resonancia paramagnética electrónica (RPE), la ODMR utiliza el efecto Zeeman en electrones desapareados. El centro de vacancia de nitrógeno con carga negativa (NV − ) ha sido objeto de considerable interés en lo que respecta a la realización de experimentos mediante ODMR. [ 3 ]

La ODMR de NV − en diamante tiene aplicaciones en magnetometría [ 4 ] y detección, imágenes biomédicas , información cuántica y la exploración de la física fundamental .

NV ODMR

El defecto de vacancia de nitrógeno en el diamante consiste en un único átomo de nitrógeno sustitucional (que reemplaza a un átomo de carbono ) y un hueco adyacente, o vacante, en la red donde normalmente se ubicaría un átomo de carbono.

Un centro de vacancia de nitrógeno en la red de diamante , visto a lo largo del eje [100]. Los átomos de carbono (grises) componen el cristal de diamante. Un átomo de nitrógeno sustitucional (esfera azul) se sitúa junto a una vacancia (región sombreada), formando el centro NV.

La vacante de nitrógeno se presenta en tres posibles estados de carga: positivo (NV + ), neutro (NV 0 ) y negativo (NV − ). [ 5 ] Como NV − es el único de estos estados de carga que ha demostrado ser activo en ODMR, a menudo se le denomina simplemente NV.

La estructura de niveles de energía del NV − consiste en un estado fundamental triplete, un estado excitado triplete y dos estados singlete. Bajo excitación óptica resonante, el NV puede elevarse del estado fundamental triplete al estado excitado triplete. El centro puede entonces regresar al estado fundamental a través de dos rutas: mediante la emisión de un fotón de 637  nm en la línea de fonones cero (ZPL) (o una longitud de onda mayor de la banda lateral de fonones) o alternativamente a través de los estados singlete mencionados anteriormente mediante cruce entre sistemas y la emisión de un  fotón de 1042 nm. Un retorno al estado fundamental a través de esta última ruta dará como resultado preferentemente elmetros=0{\displaystyle m_{s}=0}estado.

Relajación para elmetros=0{\displaystyle m_{s}=0}El estado necesariamente produce una disminución en la fluorescencia de longitud de onda visible (ya que el fotón emitido está en el rango infrarrojo ). El bombeo de microondas a una frecuencia resonante deν=2,87 GRAMOHz{\displaystyle \nu =2.87{\text{ }}GHz}coloca el centro en el degeneradometros=±1{\displaystyle m_{s}=\pm 1}estado. La aplicación de un campo magnético elimina esta degeneración , provocando el desdoblamiento de Zeeman y la disminución de la fluorescencia en dos frecuencias de resonancia, dadas porhν=gramomiμBB0{\displaystyle h\nu =g_{e}\mu _{B}B_{0}}, dóndeh{\displaystyle h}es la constante de Planck ,gramomi{\displaystyle g_{e}}es el factor g del electrón yμB{\displaystyle \mu _{B}}es el magnetón de Bohr . Al variar el campo de microondas a través de estas frecuencias, se producen dos caídas características en la fluorescencia observada, cuya separación permite determinar la intensidad del campo magnético.B0{\displaystyle B_{0}}.

La excitación con luz verde coloca al NV en el estado excitado triplete. La relajación luego emite un fotón rojo o infrarrojo (no detectado), colocando el centro en elmetros=0{\displaystyle m_{s}=0}estado. El bombeo por microondas eleva el centro ametros=±1{\displaystyle m_{s}=\pm 1}donde puede producirse el desdoblamiento de Zeeman.

desdoblamiento hiperfino

La interacción hiperfina puede provocar una mayor división en el espectro de fluorescencia , lo que da lugar a nuevas condiciones de resonancia y a las correspondientes líneas espectrales. En la resonancia magnética nuclear discreta (RMN-OD), esta estructura detallada suele originarse en los átomos de nitrógeno y carbono-13 cercanos al defecto. Estos átomos poseen campos magnéticos débiles que interactúan con las líneas espectrales del NV, causando una mayor división.

Las interacciones hiperfinas en los centros de vacancia de nitrógeno (NV) surgen de los espines nucleares cercanos, principalmente debido a los átomos de nitrógeno (14N o 15N) y, en algunos casos, de 13C cerca del defecto. Estas interacciones son significativas porque dividen aún más los niveles de energía del centro NV, lo que resulta en resonancias adicionales en el espectro ODMR. El átomo de nitrógeno en el centro NV puede existir como 14N (con espín nuclear I = 1) o 15N (con espín nuclear I = 1/2). El isótopo más común, 14N, se acopla con el espín electrónico del centro NV, lo que lleva a una división hiperfina de los estados. metros=±1{\displaystyle m_{s}=\pm 1}en tres subniveles.

HSI=A∥SZIZ+A⊥(SincógnitaIincógnita+SYIY),{\displaystyle H_{SI}=A_{\parallel }S_{Z}I_{Z}+A_{\perp }(S_{X}I_{X}+S_{Y}I_{Y}),}

La interacción del espín electrónico NV con el espín nuclear 14N se puede definir mediante el hamiltoniano mostrado arriba, donde S representa el sistema de espín electrónico NV e I representa el espín nuclear del nitrógeno. Este desdoblamiento depende típicamente de las constantes. A∥=2.14{\displaystyle A_{\parallel }=2.14}MHz y A⊥=2.14{\displaystyle A_{\perp }=2.14}MHz. El desdoblamiento se puede observar como tres picos en el espectro ODMR hiperfino resuelto. En los centros NV, el desdoblamiento hiperfino surge debido a la interacción entre el momento magnético del espín electrónico del NV y los momentos magnéticos del espín nuclear. Los momentos magnéticos del espín del NV también dependen de la magnitud y la orientación del campo magnético externo. [ 6 ] Para realizar un ODMR hiperfino resuelto, generalmente se prefiere un experimento ODMR de un solo NV. Si hay 15N en lugar de 14N, se producirá un desdoblamiento. metros=±1{\displaystyle m_{s}=\pm 1}en dos subniveles. [ 7 ]

Los átomos de 13C cercanos (con espín nuclear I=1/2) también pueden interactuar con el centro NV (3). Los átomos de carbono 13C se distribuyen aleatoriamente en los diamantes y tienen una abundancia natural de aproximadamente el 1,1 %. Cuando se encuentran cerca del centro NV, inducen estructuras finas adicionales en la señal ODMR. La fuerza de acoplamiento varía con la posición de los núcleos de 13C con respecto al centro NV. [ 8 ]

Referencias

  1. ↑ Eng, John J. H.; Jiang, Zhengzhi; Meunier, Max; Rasmita, Abdullah; Zhang, Haoran; Yang, Yuzhe; Zhou, Feifei; Cai, Hongbing; Dong, Zhaogang; Zúñiga-Pérez, Jesús; Gao, Weibo (2025-02-28). "Resonancia magnética detectada ópticamente a temperatura ambiente de emisores de fotones individuales de telecomunicaciones en GaN" . Physical Review Letters . 134 (8) 083602. doi : 10.1103/PhysRevLett.134.083602 .
  2. ↑ Delaney, P; Greer, JC (febrero de 2010). "Mecanismos de polarización de espín del centro de vacancia de nitrógeno en diamante" (PDF) . Nano Letters . 10 (2): 610– 614. Bibcode : 2010NanoL..10..610D . doi : 10.1021/nl903646p . PMID 20085271. Archivado del original (PDF) el 10 de agosto de 2018. Recuperado el 9 de agosto de 2018 . 
  3. ↑ Clevenson, H; Englund, D (2015). "Magnetometría de banda ancha y detección de temperatura con una guía de ondas de diamante de atrapamiento de luz". Nature Physics . 11 (5): 393– 397. arXiv : 1406.5235 . Bibcode : 2015NatPh..11..393C . doi : 10.1038/nphys3291 . S2CID 118513300 . 
  4. ↑ Chipaux, M; Debussichert, T (2015). "Imágenes magnéticas con un conjunto de centros de vacantes de nitrógeno en diamante". European Physical Journal D . 69 (7): 69:166. arXiv : 1410.0178 . Bibcode : 2015EPJD...69..166C . doi : 10.1140/epjd/e2015-60080-1 . S2CID 118547338 . 
  5. ↑ Pfender, M (2016). "Investigación del centro de vacancia de nitrógeno cargado positivamente en diamante como memoria cuántica de larga duración". Resúmenes de reuniones de la APS . 2016 : R45.006. Bibcode : 2016APS..MARR45006P .
  6. ↑ Qiu, Z.; Vool, U.; Hamo, A. (2021). "Detección del ángulo del campo magnético asistida por espín nuclear" . npj Quantum Information . 7 (39). arXiv : 2010.04197 . doi : 10.1038/s41534-021-00374-6 .
  7. ↑ Yang, Yang; Vallabhapurapu, Hyma H.; Sewani, Vikas K.; Isarov, Maya; Firgau, Hannes R.; Adambukulam, Chris; Johnson, Brett C.; Pla, Jarryd J.; Laucht, Arne (1 de julio de 2022). "Observación de interacciones hiperfinas de centros NV− en diamante en un laboratorio avanzado de enseñanza cuántica". American Journal of Physics . 90 (7): 550– 560. arXiv : 2110.07835 . doi : 10.1119/5.0075519 .
  8. ↑ Dréau, A.; Maze, J.-R.; Lesik, M.; Roch, JF; Jacques, V. (2012). "Espectroscopia de alta resolución de defectos NV individuales acoplados con espines nucleares ${}^{13}$C cercanos en diamante" . Physical Review B. 85 ( 13) 134107. arXiv : 1204.2947 . doi : 10.1103/PhysRevB.85.134107 .

Bibliografía

  • Wang, JF; Liu, L.; Liu, XD; Li, Q.; Cui, JM; Zhou, DF; Zhou, JY; Wei, Y.; Xu, HA; Xu, W.; Lin, WX; Yan, JW; He, ZX; Liu, ZH; Hao, ZH; Li, HO; Liu, W.; Xu, JS; Gregoryanz, E.; Li, CF; Guo, GC (23 de marzo de 2023). "Avance chino en la detección magnética superconductora de alta presión" . Nature Materials . 22 (4). SciTech Daily : 489–494 . doi : 10.1038/s41563-023-01477-5 . PMID 36959503. S2CID 247045144 .