Centro de vacantes de nitrógeno

El centro de vacantes de nitrógeno ( centro NV o centro NV ) es uno de los numerosos defectos puntuales en el diamante . Su propiedad más explorada y útil es su fotoluminiscencia , que permite a los observadores leer su estado de espín. El espín del electrón del centro NV, localizado a escalas atómicas, puede ser manipulado a temperatura ambiente por factores externos como campos magnéticos o eléctricos , radiación de microondas o luz, lo que da como resultado fuertes resonancias en la intensidad de la fotoluminiscencia. Estas resonancias se pueden explicar en términos de fenómenos relacionados con el espín de electrones , comoentrelazamiento cuántico , interacción espín-órbita y oscilaciones de Rabi , y se analiza utilizando la teoría de la óptica cuántica avanzada . Un centro NV individual puede usarse como una unidad básica para una computadora cuántica , un qubit , y usarse para criptografía cuántica . Otras posibles aplicaciones en nuevos campos de la electrónica y la detección incluyen la espintrónica , los másers y los sensores cuánticos . Si no se especifica la carga, el término "centro NV" se refiere al centro NV − cargado negativamente .

El centro vacante de nitrógeno es un defecto puntual en la red de diamantes . Consiste en un par vecino más cercano de un átomo de nitrógeno, que sustituye a un átomo de carbono, y una vacante de red .

Se conocen dos estados de carga de este defecto, NV 0 neutro y NV negativo - , a partir de estudios espectroscópicos que utilizan absorción óptica , [2] [3] fotoluminiscencia (PL), [4] resonancia paramagnética electrónica (EPR) [5] [6] [7] y resonancia magnética detectada ópticamente (ODMR), [8] que puede verse como un híbrido de PL y EPR; la mayoría de los detalles de la estructura se originan en EPR. El átomo de nitrógeno por un lado tiene cinco electrones de valencia. Tres de ellos están unidos covalentemente a los átomos de carbono, mientras que los otros dos permanecen no enlazados y se denominan par solitario .. La vacante, por otro lado, tiene tres electrones desapareados. Dos de ellos forman un enlace cuasi covalente y uno permanece desapareado. Sin embargo, la simetría general es axial (trigonal C 3V ); uno puede visualizar esto imaginando los tres electrones vacantes desapareados intercambiando continuamente sus roles.

El NV 0 por lo tanto tiene un electrón desapareado y es paramagnético. Sin embargo, a pesar de los grandes esfuerzos, las señales de resonancia paramagnética de electrones de NV 0 evitaron la detección durante décadas hasta 2008. Se requiere excitación óptica para llevar el defecto NV 0 al estado excitado detectable por EPR; presumiblemente, las señales del estado fundamental son demasiado amplias para la detección de EPR. [9]

Los centros NV 0 se pueden convertir en NV − cambiando la posición del nivel de Fermi . Esto se puede lograr aplicando voltaje externo a una unión pn hecha de diamante dopado, por ejemplo, en un diodo Schottky . [1]

En el estado de carga negativa NV − , un electrón adicional se ubica en el sitio vacante formando un par de espín S=1 con uno de los electrones vacantes. Como en NV 0 , los electrones vacantes están "intercambiando roles" preservando la simetría trigonal general. Este estado NV - es lo que comúnmente, y algo incorrectamente, se llama "el centro de vacantes de nitrógeno". El estado neutral generalmente no se usa para la tecnología cuántica.

Estructura atómica simplificada del centro NV −
Las imágenes inferiores son mapas de fotoluminiscencia espacial (PL) antes y después de la aplicación de un voltaje de +20 V a un diodo Schottky plano . La imagen superior describe el experimento. Los mapas PL revelan la conversión de centros NV 0 individuales en centros NV − que aparecen como puntos brillantes. [1]
Estructura esquemática del nivel de energía del centro NV. Las transiciones de electrones entre los estados 3 A fundamental y 3 E excitado , separados por 1,945 eV (637 nm), producen absorción y luminiscencia. El estado 3A se divide en 2,87 GHz [16] [17] y el estado 3E en 1,42 GHz. [18] Los números 0, ±1 indican el número cuántico de espín m s ; no se muestra la división debida a la degeneración orbital.
Absorción y emisión óptica del centro NV − a temperatura ambiente.
Dinámica de giro en el centro NV en diamante. La transición principal entre los tripletes de estado fundamental y excitado es la conservación del espín. El decaimiento a través de los singletes intermedios da lugar a la polarización del espín al convertir el espín de m s = ±1 a m s = 0. Se indican las longitudes de onda de absorción y emisión, [30] ya que difieren debido al desplazamiento de Stokes . [31] [32] Además, se indica el efecto de un campo magnético estático B 0 a lo largo del eje del defecto y el desplazamiento de Zeeman resultante . Aquí, γ nv se refiere a la relación giromagnéticadel centro NV. En muchas aplicaciones, dos de los niveles de estado fundamental se utilizan como un qubit. [33] Las transiciones en este efectivo sistema de dos niveles pueden ser inducidas usando un campo de microondas. 3E-1A y 1E-3A son transiciones no radiativas.
Microscopía térmica de barrido usando el centro NV.
( a ) Esquemas de la configuración experimental. Se aplica una corriente eléctrica a los brazos de un voladizo AFM ( Si dopado con fósforo , P:Si) y calienta la sección final por encima de la punta ( Si intrínseco , i- Si). La lente inferior excita un nanocristal de diamante con una luz láser verde y recolecta fotoluminiscencia (PL). El cristal alberga un centro NV y está unido a la punta AFM. Un cable en la superficie de la muestra sirve como fuente de microondas (mw). La temperatura del voladizo T h se determina a partir de la corriente y el voltaje aplicados.
( b ) Espectros ODMR del centro NV a tres temperaturas. La división de la línea se origina a partir de un campo magnético aplicado de ∼1 mT.
(c) Imagen de conductividad térmica de una letra E dorada sobre zafiro . Los círculos blancos indican características que no se correlacionan con la topografía AFM. ( d ) Imagen PL del extremo y la punta del voladizo AFM donde el nanocristal de diamante aparece como el punto brillante. ( e ) Imagen PL ampliada del centro NV en d . [48]