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研究生:謝潤豪
研究生(外文):Jun-Hao Hsieh
論文名稱:鑽石發光中心量子自旋弛豫之研究
論文名稱(外文):Transient relaxation of electron spins in diamond
指導教授:張銘顯張銘顯引用關係林俊達林俊達引用關係
指導教授(外文):Ming-Shien ChangGuin-Dar Lin
口試委員:陳應誠
口試委員(外文):Ying-Cheng Chen
口試日期:2019-07-31
學位類別:碩士
校院名稱:國立臺灣大學
系所名稱:物理學研究所
學門:自然科學學門
學類:物理學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2019
畢業學年度:107
語文別:中文
論文頁數:54
中文關鍵詞:螢光奈米鑽石氮空缺色心自旋弛豫三能階原子光檢磁共振光檢弛豫譜奈米微波感測器
DOI:10.6342/NTU201904097
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本文專注於探討螢光奈米鑽石氮空缺顏色中心的基態電子三重態的內自旋弛豫物理。我們測量受近共振微波場作用下,自旋由完全偏極化在ms = 0次能階態的起始條件,弛豫至完全非偏極化,即平均分布於ms = 0, ±1的時間長度,並探討自旋弛豫與外加微波場之間的關係。

在實驗數據分析中,我們先以直觀的指數衰減擬合數據,得出自旋弛豫時間與微波頻率及微波強度的關係、並將擬合得出的弛豫時間對微波頻率做圖,得出光檢弛豫譜。而本領域常用的光檢磁共振法則是用於測量 至 的躍遷頻率,是為~2.87 GHz。在外加微波場達到共振條件下,螢光奈米鑽石的亮度只低了近10%。但在微波達到共振條件下,自旋弛豫時間則可以遠小於內秉的縱向弛豫時間或T1,取決於微波功率。我們發現光檢弛豫譜與光檢磁共振譜高度相似,但弛豫譜的高低值對比度遠大於磁共振譜。

接著,我們將數據以更精緻的三能階理論數值模擬擬合,從無外加微波場的弛豫數據擬合得出螢光奈米鑽石的內秉縱向弛豫時間,T1 ~1290 μs。我們也以擬合得出不同微波功率的拉比頻率,並得出在本實驗條件下,微波功率0.2 – 6 mW產生的拉比頻率為0.05 – 0.14 MHz。將來我們或許可以利用測量奈米鑽石內自旋弛豫時間的原理,發展出奈米尺度的微波頻率及微波功率感測元件。
In this thesis, we study spin relaxation of ground electronic triplet states in nitrogen-vacancy color center in fluorescent nanodiamond (FND). We measured the relaxation time from the ms = 0 state to equal distribution in the ms = 0, ±1 states, under the influence of a near-resonant microwave field. In data analyses, we first fitted the experimental data to single-exponential decay, from which we determined the relaxation time vs. the frequency and power of the applied microwaves. By plotting the relaxation time vs. microwave frequency, we constructed a relaxation spectrum, with a spectral shape close to that of the spin resonance spectrum. The spin resonance for and transition is ~2.87 GHz, which is commonly determined by optically detected magnetic resonance (ODMR) method, we thus coin our new method the optically detected relaxation spectroscopy (ODRS). In the resonance condition, the brightness of an FND is reduced by 10%, while the spin relaxation time can be much shorter than the intrinsic longitudinal relaxation time, T1, depending on the microwave power. Thus the ODRS gives a spectrum with a much higher contrast than that of an ODMR spectrum.
Finally, we fitted our data to a 3-level atom model, from which we determined T1 ~1290 μs. We further fitted the data to determine the Rabi frequencies which are 0.05 - 0.14 MHz for microwave powers 0.2 – 6 mW. In the future, we may can develop a nano-sensor for determining the frequency and power of a microwave utilizing spin relaxation in FND.
目錄

誌謝 i
摘要 ii
Abstract iii
第一章 前言 1
第二章 簡介 2
2.1 同調性簡介 2
2.1.1 T1縱向弛豫時間 3
2.1.2 T2橫向弛豫時間 3
2.2 鑽石種類簡介 4
第三章 氮空缺顏色中心 6
3.1 鑽石結構對NV-的影響 7
3.2 帶負電氮空缺色心的螢光物理 8
3.3 光檢磁共振 11
3.4 氮缺色心能階理論 13
3.4.1 三能階理論 13
3.4.2 密度算符主方程 17
3.4.3 主方程求解 18
第四章 實驗架設 20
4.1 光路 20
4.2 電子儀器架設 22
4.3 實驗及時序控制系統 22
4.4 樣品製備 24
第五章 光檢自旋弛豫 27
5.1 實驗原理 27
5.2 實驗步驟 28
5.3.1 指數衰減擬合分析 31
5.3.2 三能階模擬分析 34
第六章 結論與展望 44
6.1 結論 44
6.2 展望 44
附錄 46
參考文獻 53
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