哈工大：基于一維光子晶體增強金剛石NV色心系綜傳感器的靈敏度

相關成果以Enhancing the sensitivity of nitrogen vacancy color-center ensemble sensors using one-dimensional photonic crystals為題發表在光學領域權威期刊《Photonics Research》。論文作者為2024級楊云鵬博士、張森助理研究員，通訊作者為哈工大航天學院朱嘉琦教授、劉康教授、代兵教授。

1.通過在金剛石NV色心系綜樣品表面沉積TiO₂/SiO₂交替介質膜形成的一維光子晶體，極大地提升了NV色心的熒光收集效率；

2.一維光子晶體較寬的光子帶隙使得泵浦激光二次激發了NV色心周圍的雜質N原子到共有化狀態，改善了NV色心周圍的局部電場環境；

3.制備一維光子晶體后，金剛石NV色心ODMR光譜的半高寬減半，相干時間T₂*從209 ns延長至841 ns。

本研究先采用時域有限差分（FDTD）法，模擬不同周期的 TiO?/SiO?交替介質膜結構對金剛石 NV - 色心零聲子線（637 nm）附近反射率產生的影響，結果如圖 1（a）所示，其中光子帶隙的中心波長為 637 nm（即樣品 1）。研究發現，當 TiO?/SiO?交替介質膜的周期達到 6 個時，反射率已接近 100%，形成了較為理想的光子帶隙。

為了進一步增強 NV?的 ZPL 及其聲子邊帶的熒光，同時抑制 NV?的熒光以降低熒光噪聲，本研究將光子帶隙的中心波長從 637 nm 紅移至 697 nm（即樣品 2），相關情況如圖 1（b）所示。

圖1 光子帶隙中心波長為 (a) 637 nm和(b)697 nm的不同周期TiO₂/SiO₂介電薄膜的金剛石透射率模擬曲線

如圖2(a)所示，為在金剛石表面制備一維光子晶體后的SEM圖；圖2(b)為樣品1和2表面制備一維光子晶體前后的透過率曲線圖；圖2(c)為TiO₂的XRD表征，衍射峰表明制備的TiO₂為銳鈦礦相；圖2(d)為為SiO₂的XRD表征，衍射波包表明制備的SiO₂為非晶。

圖2 (a)TiO₂/SiO₂交替介電薄膜的縱截面SEM表征；(b)金剛石樣品1和2表面制備一維光子晶體前后的透過率曲線圖；(c)金剛石表面TiO₂介電膜的XRD衍射圖；(d)金剛石表面SiO₂介電膜的XRD衍射圖

圖3 (a)、(b)分別為金剛石樣品1和樣品2表面制備一維光子晶體前后的PL光譜圖，由于金剛石NV色心的熒光主要集中在NV^-的聲子邊帶700 nm處，所以光子帶隙中心波長為697 nm時，熒光增強效果更明顯。為了進一步研究由TiO₂和SiO₂組成的一維光子晶體對金剛石NV色心熒光強度的影響，通過掃描樣品2中NV⁰中心的ZPL和聲子邊帶(573-578 nm)以及NV^?中心的ZPL和聲子邊帶(636-640 nm)進行PL積分映射。如圖3(c)所示，NV⁰色心的熒光強度在處理后顯示出較小的變化。然而，圖3(d)表明處理后NV^?色心的熒光強度明顯增強。

圖3 (a)光子帶隙中心波長為637nm時，處理前后NV色心熒光的增強對比圖；(b)光子帶隙中心波長為697nm時，處理前后NV色心熒光的增強對比圖；(c)光子帶隙中心波長為697nm時,NV⁰ZPL的熒光Mapping對比圖；(d)光子帶隙中心波長為697 nm時，NV^-ZPL的熒光Mapping對比圖

使用ODMR系統測量樣品2中NV色心制備一維光子晶體前后的量子相干特性。如圖4(a)所示，擬合洛倫茲線的ODMR譜顯示，處理后線的半峰全寬 (FWHM)從30.6 MHz降低到16.4 MHz，幾乎減半。圖6(b)表明，使用Ramsey 序列測量的退相干時間，從209 ns增加到841 ns。

圖4 (a)處理前后NV的ODMR光譜圖（用洛倫茲函數進行了擬合；(b)處理前后NV的不均勻自旋弛豫時間

如圖5所示，本研究認為光子晶體反射的激光激發了NV周圍的雜質電子，改善了NV色心周圍的電場環境，降低了雜質電子與NV色心電子自旋耦合，從而導致相干時間的延長。 

圖5 金剛石中NV-色心附近雜質N原子的激發過程示意圖，插圖表示NV-能級的變化，黑線表示沒有光子晶體的能級，紅線表示有光子晶體的能級