Resonancia magnética detectada ópticamente

En física, la resonancia magnética detectada ópticamente ( ODMR ) es una técnica de doble resonancia mediante la cual el estado de espín del electrón de un defecto de cristal puede bombearse ópticamente para la inicialización y lectura del espín. ^[1]

Al igual que la resonancia paramagnética electrónica (EPR), la ODMR hace uso del efecto Zeeman en electrones desapareados. El centro de vacancia de nitrógeno con carga negativa (NV ⁻ ) ha sido objeto de considerable interés en lo que respecta a la realización de experimentos con ODMR. ^[2]

La ODMR de NV ⁻ s en diamante tiene aplicaciones en magnetometría ^[3] y detección, imágenes biomédicas , información cuántica y exploración de la física fundamental .

ODMR de NV

El defecto de vacante de nitrógeno en el diamante consiste en un solo átomo de nitrógeno sustitucional (que reemplaza a un átomo de carbono ) y un espacio o vacante adyacente en la red donde normalmente se ubicaría un átomo de carbono.

Un centro de nitrógeno vacante en la red del diamante , visto a lo largo del eje [100]. Los átomos de carbono (gris) forman el cristal de diamante en masa. Un átomo de nitrógeno sustitucional (esfera azul) se encuentra junto a una vacante (región sombreada), formando el NV.

La vacante de nitrógeno se produce en tres posibles estados de carga: positivo (NV ⁺ ), neutro (NV ⁰ ) y negativo (NV ⁻ ). ^[4] Como NV ⁻ es el único de estos estados de carga que ha demostrado ser activo en ODMR, a menudo se lo denomina simplemente NV.

La estructura de niveles de energía del NV ⁻ consiste en un estado fundamental triplete, un estado excitado triplete y dos estados singlete. Bajo excitación óptica resonante, el NV puede elevarse desde el estado fundamental triplete al estado excitado triplete. El centro puede entonces regresar al estado fundamental a través de dos rutas; por la emisión de un fotón de 637 nm en la línea de fonón cero (ZPL) (o longitud de onda más larga desde la banda lateral del fonón) o alternativamente a través de los estados singlete antes mencionados a través del cruce entre sistemas y la emisión de un fotón de 1042 nm. Un retorno al estado fundamental a través de la última ruta dará como resultado preferentemente el estado. ${\displaystyle m_{s}=0}$

La relajación al estado resulta necesariamente en una disminución en la fluorescencia de longitud de onda visible (ya que el fotón emitido está en el rango infrarrojo ). El bombeo de microondas a una frecuencia resonante de coloca el centro en el estado degenerado. La aplicación de un campo magnético levanta esta degeneración , causando la división de Zeeman y la disminución de la fluorescencia a dos frecuencias resonantes, dadas por , donde es la constante de Planck , es el factor g del electrón y es el magnetón de Bohr . El barrido del campo de microondas a través de estas frecuencias da como resultado dos caídas características en la fluorescencia observada, la separación entre las cuales permite la determinación de la intensidad del campo magnético . ${\displaystyle m_{s}=0}$ ${\displaystyle \nu =2.87{\text{ }}GHz}$ ${\displaystyle m_{s}=\pm 1}$ ${\displaystyle h\nu =g_{e}\mu _{B}B_{0}}$ ${\displaystyle h}$ ${\displaystyle g_{e}}$ ${\displaystyle \mu _{B}}$ ${\displaystyle B_{0}}$

La excitación con luz verde coloca al NV en el estado excitado triplete. Luego, la relajación emite un fotón rojo o infrarrojo (no detectado), que coloca el centro en ese estado. El bombeo de microondas eleva el centro a , donde puede producirse la división Zeeman. ${\displaystyle m_{s}=0}$ ${\displaystyle m_{s}=\pm 1}$

División hiperfina

Puede producirse una mayor división del espectro de fluorescencia debido a la interacción hiperfina , lo que genera más condiciones de resonancia y las líneas espectrales correspondientes. En la ODMR de NV, esta estructura detallada suele tener su origen en átomos de nitrógeno y carbono-13 cercanos al defecto. Estos átomos tienen pequeños campos magnéticos que interactúan con las líneas espectrales del NV, lo que provoca una mayor división.

Referencias

1. Delaney, P; Greer, JC (febrero de 2010). "Mecanismos de polarización de espín del centro de nitrógeno-vacante en el diamante" (PDF) . Nano Letters . 10 (2): 610–614. Bibcode :2010NanoL..10..610D. doi :10.1021/nl903646p. PMID  20085271. Archivado desde el original (PDF) el 2018-08-10 . Consultado el 2018-08-09 .
2. Clevenson, H; Englund, D (2015). "Magnetometría de banda ancha y detección de temperatura con una guía de ondas de diamante que atrapa la luz". Nature Physics . 11 (5): 393–397. arXiv : 1406.5235 . Código Bibliográfico :2015NatPh..11..393C. doi :10.1038/nphys3291. S2CID  118513300.
3. Chipaux, M; Debussichert, T (2015). "Imágenes magnéticas con un conjunto de centros de vacancia de nitrógeno en diamante". European Physical Journal D . 69 (7): 69:166. arXiv : 1410.0178 . Bibcode :2015EPJD...69..166C. doi :10.1140/epjd/e2015-60080-1. S2CID  118547338.
4. Pfender, M (2016). "Investigación del centro de nitrógeno-vacante con carga positiva en el diamante como memoria cuántica de larga duración". Resúmenes de reuniones de la APS . 2016 : R45.006. Código Bibliográfico :2016APS..MARR45006P.

Bibliografía

• Wang, JF; Liu, L.; Liu, XD; Li, Q.; Cui, JM; Zhou, DF; Zhou, JY; Wei, Y.; Xu, HA; Xu, W.; Lin, WX; Yan, JW; He, ZX; Liu, ZH; Hao, ZH; Li, HO; Liu, W.; Xu, JS; Gregoryanz, E.; Li, CF; Guo, GC (23 de marzo de 2023). "Avance chino en la detección magnética superconductora de alta presión". Nature Materials . 22 (4). SciTech Daily : 489–494. doi :10.1038/s41563-023-01477-5. PMID  36959503. S2CID  247045144.