Двойной радиооптический резонанс в алмазе

УДК 535.14 (06) Фотоника и информационная оптика
А.В. СИВАК, С.А. ЗИБРОВ1, Д.В. ИВАНОВ
Научные руководители – В.Л. ВЕЛИЧАНСКИЙ1,
В.В. ВАСИЛЬЕВ1
Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ»
1
Лаборатория стандартов частоты ОКРФ ФИАН, Троицк, Московская обл.
ДВОЙНОЙ РАДИООПТИЧЕСКИЙ РЕЗОНАНС В АЛМАЗЕ
В большинстве твердых тел при комнатной температуре ДРОР не наблюдается. NV--центры в алмазе являются исключением. Использование нанокристаллов алмаза позволяет дополнительно увеличить относительную величину сигнала ДРОР более чем в 1,5 раза.
Для наблюдения ДРОР квантовая система должна иметь разрешённый оптический переход, сверхтонкую
структуру, механизм селективного заселения подуровней и достаточно большое время релаксации населенностей на этих подуровнях (оптическая накачка эффективна, когда ее скорость много больше скорости релаксации). В большинстве твердых тел при комнатной температуре ДРОР не наблюдается из-за малых времен релаксации, обусловленных взаимодействием активных центров с фононами. NV-центры в алмазе являются исключением. Мы рассматриваем NV--центр, в котором атом азота и соседняя вакансия захватывают
электрон, образуя отрицательно заряженный парамагнитный центр. Для NV--центров полоса поглощения
лежит в интервале 500-570 нм, а спектр флуоресценции простирается от 630 до 800 нм.
Сигнал ДРОР регистрируется посредством наблюдения сигнала флуоресценции образца алмаза с активными NV--центрами. Динамика флуоресценции описывается через изменения населённостей подуровней
NV--центра. Кратко изложим суть теоретического подхода для анализа динамики населённостей (см. далее
рис. 1). Излучательное время жизни NV--центра в объемном кристалле составляет τ=11 нс. В нанокристаллах оно увеличивается до 25 нс из-за того, что длина волны излучения много больше размера кристалла и
«работает» диэлектрическая проницаемость воздуха, т.к. время излучательной рекомбинации обратно пропорционально показателю преломления. Релаксация возбужденного уровня 3Е происходит по двум каналам:
излучательно, с переходом в основное состояние и безызлучательно, через промежуточный метастабильный
уровень 1А, но этот канал релаксации селективен по подуровням. Вероятности и сечения поглощения одинаковы для всех подуровней основного состояния. Поэтому перераспределение населенностей между подуровнями основного при сохранении их суммарной населенности (n1+n2=const) не меняет поглощения.
Скорость флуоресцентных переходов рассчитывается по формуле:
, где учтеp1 p 2
1/τ
F
τ

τ 1/τ  1/τ 2s
~ I·A·(n1  n 2 η
но, что населенности верхних подуровней пропорциональны интенсивности лазерного излучения (I) и соответствующим населенностям нижних, А=1/τ – скорость спонтанной (излучательной) рекомбинации,
η  ( 1/τ)/ [1/τ  1/τ 2s ] – коэффициент «ветвления». Наличие безызлучательного канала релаксации, описываемого фактором η, приводит к тому, что населенности n1 и n2 по-разному входят в выражение для скорости
флуоресцентных переходов, поэтому перераспределение населенностей подуровней основного состояния
приводит к изменению сигнала флуоресценции. Этот механизм играет определяющую роль в механизме
формирования сигнала ДРОР, который заключается в том, что СВЧ поле резонансное переходу между подуровнями основного состояния восстанавливает равновесную населенность и изменяет уровень флуоресценции.
3
E
p2
m=±1
p1
m=0
τ2s=33нс
τ
τ
n2
3A
2
n1
s
1A
1
τs1=300нс
m=±
1
СВЧ поле
2,87 ГГц
m=0
Рис. 1. Упрощенная схема уровней NV-центра (показана не в масштабе)
Динамика накачки описывается скоростными уравнениями. Сигнал ДРОР пропорционален разности
полных населенностей возбужденного состояния при включенном СВЧ поле и при выключенном СВЧ поле.
Система скоростных уравнений решалась аналитически с различными приближениями, а также численно.
Сравнивая скорость флуоресцентных переходов при наличии и отсутствии СВЧ поля для нанокристаллов
(учитывая τ=25 нс) и для крупных кристаллов (τ=11 нс), приходим к результату, что применение нанокристаллов позволяет дополнительно увеличить относительную величину сигнала двойного радио-оптического
резонанса более чем в 1,5 раза – что подтверждается экспериментом.
УДК 535.14 (06) Фотоника и информационная оптика