Аннотация
Введение 4
1 Общие сведения об алмазе 5
1.1 Синтез алмаза 5
1.2 NV-центры окраски алмаза. Структура и уникальность 8
1.3 Фотолюминесценция центров окраски алмаза 9
2 Оптически детектируемый магнитный резонанс 11
2.1 Эффект Зеемана 11
2.2 ОДМР в NV -центре 12
2.3 Применение ОДМР 15
3 ОДМР магнитометрия 17
3.1 Измерение параметров внешнего магнитного поля на основе ОДМР-спектров 17
3.2 Влияние температуры на положение резонансных частот 18
4 Роль фононов в процессах фотолюминесценции 19
4.1 Фононы. Фононные моды 19
4.1.1 Квантово-механическая природа фононов 19
4.1.2 Дисперсионные соотношения и классификация мод 19
4.1.3 Плотность фононных состояний и сингулярности Ван Хова 20
4.1.4 Локальные фононные моды в дефектных кристаллах 20
4.2 Фононные повторения. Влияние на спектр люминесценции 21
4.2.1 Фононные повторения в кристаллических решетках 21
4.2.2 Механизмы влияния фононов на люминесценцию 21
4.2.3 Экспериментальные проявления 22
5 Экспериментальная часть 23
5.1 Восстановление вектора магнитного поля по спектру ОДМР 23
5.1.1 Аналитическое приближенное решение 23
5.1.2 Численное прямое решение 25
5.1.3 Выводы по разделу 27
5.2 Реакция алмазных образцов на магнитное поле 29
5.2.1 Экспериментальная установка, метод исследования и исследуемые образцы 29
5.2.2 Результаты эксперимента 29
5.2.3 Выводы по разделу 34
5.3 Практические особенности снятия ОДМР-спектра 35
5.3.1 Экспериментальная установка, метод исследования и исследуемые образцы 35
5.3.2 Результаты эксперимента 35
5.3.3 Выводы по разделу 38
Заключение 40
Список использованной литературы 41
Алмаз, как полупроводниковый материал, обладает рядом преимуществ по сравнению с используемыми на данный момент. В особенности, высокая устойчивость к ионизирующему излучению в комплексе с наибольшей среди всех твёрдых тел теплопроводностью (900-2300 Вт/(м-К)) позволяют использовать алмаз в экстремальных условиях открытого космоса или в активной зоне атомного реактора.
Помимо этого, азот-вакансионный центр алмаза, или NV-центр, это объект, позволивший применить методики оптически детектируемого магнитного резонанса (ОДМР) на квантовых объектах в твердом теле при комнатной температуре, что можно интерпретировать как возможность создания «теплого» квантового процессора. Также феномен детектируемого магнитного резонанса можно применить при создании сверхточных сенсоров величины и направления магнитного поля.
Текущее исследование позволит экстраполировать методы на другие магнитоактивные центры, что потенциально поможет исключить проблемы самих NV- центров
Научная новизна: результаты исследований в области магнитометрии показывают, что NV-центры окраски алмаза имеют заметную реакцию на магнитное поле при комнатной температуре. Методы, представленные в работе, позволят оптимизировать методики измерения и обработки оптически детектируемого магнитного резонанса
Практическая значимость: улучшение эксплуатационных характеристик квантовых датчиков магнитного поля
Цель работы: описать оптически детектируемый магнитный резонанс с математической точки зрения, а также практические особенности его регистрации
Для достижения цели были решены следующие задачи:
1) Составить литературный обзор по темам «Оптически детектируемый магнитный резонанс в NV -центрах алмаза», «Магнитометрия на основе квантовых эффектов в центрах окраски алмаза», «Фононы и фононные моды в кристаллах»;
2) Создать математическую модель для решения задачи восстановления параметров магнитного поля по ОДМР-спектру для NV -центра в алмазе;
3) Создать экспериментальную установку для получения спектров
фотолюминесценции алмазных образцов с азотсодержащими центрами окраски;
4) Описать практические особенности снятия спектра ОДМР.
Практическая часть исследования позволила разработать и апробировать методы восстановления вектора магнитного поля на основе спектров ОДМР NV^-центров в алмазе. Аналитическое приближение (формула 5.12) обеспечивает экспресс-оценку модуля поля в условиях ограниченных вычислительных ресурсов. Для полного восстановления вектора поля разработан точный численный алгоритм (системы уравнений 5.13 и 5.16), требующий измерений спектров ОДМР с высоким разрешением.
Экспериментальная часть подтвердила высокую чувствительность центров окраски к магнитным полям порядка 250 Гс. Установлено дифференциальное воздействие поля: наблюдается достоверное подавление фотолюминесценции NV^-центров и усиление свечения NV0- и N2V-центров, причем характер отклика зависит от длины волны лазерного возбуждения (405 нм или 520 нм). Наибольший потенциал для магнитометрии продемонстрировали NV-центры. Универсальная экспериментальная установка доказала эффективность для комплексных исследований фотолюминесценции.
Выявлены критические технологические ограничения: визуализирована
пространственная неоднородность распределения центров окраски в синтетических алмазах, а также обнаружен периодический эффект модуляции фононного спектра в локальных областях образца С152 с периодом около 15 часов (рисунок 26), препятствующий корректному снятию спектров ОДМР. Гипотетически данный эффект связан с медленным перераспределением колебательной энергии между NV0- и NV - центрами.
Полученные результаты формируют основу для разработки алмазных сенсоров магнитного поля, однако требуют решения задач по оптимизации образцов - обеспечения равномерности распределения центров, стабильности их фотолюминесцентного отклика и подавления паразитных тепловых эффектов.
