ODMR四族半导体光探测磁共振谱

四族半导体光探测磁共振谱仪

                   图 1. 光探测磁共振谱仪示意图

             图 2. 室 温 系 统                                                图 3. 低 温 系 统

系统特点

• 532nm/721nm/914nm 多种波长激光器自由切换；

• 荧光收集波段可实现 600-1550nm 全覆盖；

• 同时配置超导单光子探测器和硅基光电倍增式单光子探测器；

• XYZ 三轴纳米级样品扫描和定位；

• 全数字化仪器控制、自动化光探测磁共振谱测量、自动漂移校准；

• 灵活定制，可根据客户需求拓展应用系统；

• 提供四族半导体单自旋色心阵列标样定制；

四族半导体光探测磁共振谱仪主要技术指标：

一、激发光模块：
1、 激发光波长 1532 nm 、 721 nm 、 914 nm

2、 激发光功率： ≥ 100 mW

3、 开关比：≥50dB

4、 1 小时内功率抖动 ≤1%

二、收集光模块：
1、 荧光收集波段1： 600-850 nm

2、 荧光收集波段2： 800-1050 nm

3、 荧光收集波段3： 1000-1550 nm

4、 探测器： 2 通道 单光子探测器 4 通道 超导单光子探测器切换

5、 超导单光子探测器探测效率 ≥ 80%，暗计数 ≤50cps

三、 扫描模块：
1、 精细扫描范围 100um*100um

2、 精细位移分辨率： 1nm

3、 粗调范围： 10mm*10mm

4、 粗调位移分辨率： 1um

四、微波序列控制模块：
1、 时序精度： 2 ns

2、 最小脉宽： 10ns

3、 通道数： 16 个

五、微波发生模块：
1、 微波频段： 0.1 GHz – 6 GHz

2、 微波功率： 25 W

3、 频率分辨率： 3 Hz

4、输出功率衰减范围： 0 – 85 dB

5、 幅度精度：≤ 0.25 d B

六、 射频功率放大器模块：
1、 带宽： 0.1- 200 MHz

2、 功率： 20 W

3、 隔离度： 70 d B

七、磁场系统：
三维磁场，单轴磁场强度，0- 500 高斯连续可调

八、标准样品：
1、 4H 碳化硅，单个硅空位色心阵列样品，单色心比例 ≥ 30%，单色心饱和荧光强度≥8kcps

2、 4H 碳化硅，单个双空位色心阵列样品，单色心比例 ≥ 30%，单色心饱和荧光强度≥130kcps ODMR 对比度 ≥25%

3、 4H 碳化硅，单个 NV 色心阵列样品，单色心比例 ≥20%

4、 金刚石 NV 色心系综样品， ODMR 对比度≥15%

九、仪器控制软件：
荧光扫描和成像；金刚石NV 色心、碳化硅硅空位色心、双空位色心、 NV 色心等色心的性质表征；光探测磁共振谱测量；全数字化仪器控制；实验结果参数拟合；自动单色心寻找与测量分析；自动漂移校准。

四族半导体光探测磁共振谱仪硬件配置

1.连续波激光器

激光波长	532nm/721nm/914nm
输出功率	≥ 100 mW
开关比	≥50dB
1 小时功率抖动	≤1%

 

2.单光子探测器

探测波长范围	400-1000nm
最大探测效率	70%
暗计数	≤100cps
时间分辨率	250 ps

 

3.超导单光子探测器

探测波长范围	1000-1550nm
最大探测效率	85%
暗计数	≤50cps
时间抖动	≤50 ps

 

4.XYZ 扫描模块

闭环行程	100×100×100μm
开环行程	120×120×120μm
分辨率	0.2 nm
线性误差	0.1%

 

5.红外物镜

数值孔径 NA	0.85
工作距离	1 mm
矫正范围	0-1.2 mm
透镜镀膜	近红外波段

 

6.可见光物镜

数值孔径 NA	0.8
工作距离	3.4 mm
放大倍数	100X
透镜镀膜	可见光波段

 

7.微波发射源

频率范围	0.1GHz-6000GHz
频率分辨率	3 Hz
输出功率衰减范围	0-85 dB
幅度精度	0.25 dB

 

8.射频发射源

频率范围	0-250MHz
采样率	2 GSa/S
记录长度	16 MSa/通道
垂直分辨率	14 位

 

应用案例：

       图 4. 四族半导体光探测磁共振谱仪                        图 5. 控制软件界面

             （用户：中国科学技术大学）

 

           图 6. 碳化硅单个双空位色心光探测磁共振谱与光学性质测量

 

图 7. 碳化硅单个NV 色心光探测磁共振谱与光学性质测量

 

            图 8. 碳化硅单个硅空位色心阵列标样测试结果

应用本系统发表文章列表：

1. Qiang Li#, Jun Feng Wang#, Fei Fei Yan, Ji Yang Zhou, Han Feng Wang, He Liu, Li Ping Guo, Xiong Zhou, Adam Gali, Zheng Hao Liu, Zu Qing Wang, Kai Sun, Guo Ping Guo, Jian Shun Tang, Jin Shi Xu*, Chuan Feng Li*, and Guang Can Guo, Room temperature coherent manipulation of single-spin qubits in silicon carbide with a high readout contrast, Natl Sci. Rev. 9, nwab122 (2022).
2. Wei Liu, Zhi-Peng Li, Yuan-Ze Yang, Shang Yu, Yu Meng, Zhao-An Wang, Nai-Jie Guo, Fei-Fei, Yan, Qiang Li, Jun-Feng Wang, Jin-Shi Xu, Yang Dong, Xiang-Dong Chen, Fang-Wen Sun, Yitao Wang, Jian-Shun Tang, Chuan-Feng Li and Guang-Can Guo. Rabi oscillation of VB- spin in hexagonal boron nitride. Nat. Commun. 13, 5713 (2022).
3. Jun-Feng Wang, Fei-Fei Yan, Qiang Li, Zheng-Hao Liu, Jin-Ming Cui, Zhao-Di Liu, Adam Gali*, Jin-Shi Xu*, Chuan-Feng Li*, and Guang-Can Guo, Robust coherent control of solid-state spin qubits using anti-Stokes excitation, Nat. Commum. 12, 3223 (2021).
4. Jun-Feng Wang, Fei-Fei Yan, Qiang Li, Zheng-Hao Liu, He Liu, Guo-Ping Guo, Li-Ping Guo, Xiong Zhou, Jin- Ming Cui, Jian Wang, Zong-Quan Zhou, Xiao-Ye Xu, Jin-Shi Xu*, Chuan-Feng Li*, and Guang-Can Guo, Coherent control nitrogen-vacancy center spins in silicon carbide at room temperature, Phys. Rev. Lett. 124, 223601 (2020).
5. Yu Wei Liao#, Qiang Li#,*, Mu Yang#, Zheng-Hao Liu, Fei Fei Yan, Jun-Feng Wang, Ji-Yang Zhou, Wu-Xi Lin, Yi-Dan Tang, Jin Shi Xu*, Chuan Feng Li*, and Guang Can Guo, Deep learning enhanced single spin readout in silicon carbide at room temperature, Phys. Rev. Appl. 17, 034046 (2022).
6. Ji-Yang Zhou#, Qiang Li#, Ze-Yan Hao, Fei-Fei Yan, Mu Yang, Jun-Feng Wang, Wu-Xi Lin, Zheng-Hao Liu, Wen Liu, Jin-Shi Xu*, Chuan-Feng Li*, and Guang-Can Guo. Experimental determination of the dipole orientation of single color centers in silicon carbide, ACS Photonics 8, 2384-2391 (2021).
7. Qiang Li#, Jun-Feng Wang#, Fei-Fei Yan, Ze-Di Cheng, Zheng-Hao Liu, Kun Zhou, Li-Ping Guo, Xiong Zhou, Wei-Ping Zhang, Xiu-Xia Wang, Wei Huang, Jin-Shi Xu*, Chuan-Feng Li*, and Guang-Can Guo, Nanoscale depth control of implanted shallow silicon vacancies in silicon carbide, Nanoscale, 11, 20554 (2019).
8. Fei-Fei Yan#, Zhen-Peng Xu#, Qiang Li, Jun-Feng Wang, Ji-Yang Zhou, Wu-Xi Lin, Jin-Shi Xu*, Yuyi Wang, Chuan-Feng Li*, and Guang-Can Guo, Room-temperature implementation of the quantum streaming algorithm in a single solid-state spin qubit, Phys. Rev. Appl. 16, 024027 (2021).
9. Jun-Feng Wang, Ji-Yang Zhou, Qiang Li, Fei-Fei Yan, Mu Yang, Wu Xi Lin, Ze-Yan Hao, Zhi-Peng Li, Zheng- Hao Liu, Wei Liu, Kai Sun, Yu Wei, Jian-Shun Tang, Jin-Shi Xu*, Chuan-Feng Li*, and Guang-Can Guo. Optical charge state manipulation of divacancy spins in silicon carbide under resonant excitation, Photonics Research 9, 1752-1757 (2021).
10. Fei-Fei Yan#, Ai-Lun Yi#, Jun-Feng Wang, Qiang Li, Pei Yu, Jia-Xiang Zhang, Adam Gali, Ya Wang, Jin-Shi Xu*, Xin Ou*, Chuan-Feng Li*, and Guang-Can Guo, Room-temperature coherent control of implanted defect spins in silicon carbide, npj Quant. Infor. 6, 38 (2020).
11. Jun-Feng Wang#, Qiang Li#, Fei-Fei Yan, He Liu, Guo-Ping Guo, Wei-Ping Zhang, Xiong Zhou, Li-Ping Guo, Zhi-Hai Lin, Jin-Ming Cui, Xiao-Ye Xu, Jin-Shi Xu*, Chuan-Feng Li*, and Guang-Can Guo, On-Demand Generation of Single Silicon Vacancy in Silicon Carbide, ACS Photonics, 6, 1736-1743 (2019).