金刚石氮-空位色心的原子自旋声子耦合机理

作     者：沈翔 赵立业 黄璞 孔熙 季鲁敏 Shen Xiang;Zhao Li-Ye;Huang Pu;Kong Xi;Ji Lu-Min

作者机构：东南大学仪器科学与工程学院微惯性仪表与先进导航技术教育部重点实验室南京210096 南京大学物理学院南京210093 

基　　金：国家自然科学基金(批准号:62071118)资助的课题 

出 版 物：《物理学报》 (Acta Physica Sinica)

年 卷 期：2021年第70卷第6期

页      码：274-290页

摘      要：金刚石氮-空位色心结构因在量子精密测量领域的高灵敏度优势而备受关注.本文引入耦合声子场对氮-空位色心原子自旋进行共振调控,以提高氮-空位色心的自旋跃迁效率.首先,基于波函数和晶格的点阵位移矢量关系,分析了声子与晶格能量交互作用,研究了基于声子共振调控的氮-空位色心的自旋跃迁机理,建立了基于应变诱导的能量转移声子-自旋交互耦合激发模型.其次,基于氮-空位色心晶格振动理论,引入满足布洛赫定理的系数矩阵,建立了不同轴向氮-空位色心第一布里渊区特征区域的声子谱模型.同时,基于德拜模型,考虑热膨胀效应,解析该声子共振系统的声子热平衡性质,并对其比热模型进行研究.最后,基于分子动力学仿真软件CASTEP和密度泛函理论进行第一性原理研究,构建了声子模式下不同轴向氮-空位色心的结构优化模型,并分析了其结构特性、声子特性和热力学特性.研究结果表明,系统声子模式的演化依赖于氮-空位的占位,声子模式强化伴随着热力学熵的降低.含氮-空位色心金刚石的共价键较纯净无缺陷金刚石更弱,热力学性质更不稳定.含氮-空位色心金刚石的声子主共振频段处于THz量级,次共振频率约为[800,1200]MHz.根据次共振频段设计叉指宽度为1.5μm的声表面波共振机构,其中心频率约为930 MHz.在该声子共振调控参数条件下,声子共振调控方法可有效增大氮-空位色心的自旋跃迁概率,实现氮-空位色心原子自旋操控效率的提高.

主 题 词：密度泛函理论 声子耦合 色心 跃迁概率 热力学熵 热力学性质 德拜模型 位移矢量 

学科分类：07[理学] 0805[工学-能源动力学] 070201[070201] 0704[理学-天文学类] 0702[理学-物理学类] 

核心收录：

D　O　I：10.7498/aps.70.20201848

馆 藏 号：203102579...