四族半導體光探測磁共振譜儀

                   圖 1. 光探測磁共振譜儀示意圖

             圖 2. 室 溫 系 統                                                圖 3. 低 溫 系 統

系統特點

• 532nm/721nm/914nm 多種波長激光器自由切換；

• 熒光收集波段可實現 600-1550nm 全覆蓋；

• 同時配置超導單光子探測器和硅基光電倍增式單光子探測器；

• XYZ 三軸納米級樣品掃描和定位；

• 全數字化儀器控制、自動化光探測磁共振譜測量、自動漂移校準；

• 靈活定制，可根據客戶需求拓展應用系統；

• 提供四族半導體單自旋色心陣列標樣定制；

四族半導體光探測磁共振譜儀主要技術指標：

一、激發光模塊：
1、 激發光波長 1532 nm 、 721 nm 、 914 nm

2、 激發光功率： ≥ 100 mW

3、 開關比：≥50dB

4、 1 小時內功率抖動 ≤1%

二、收集光模塊：
1、 熒光收集波段1： 600-850 nm

2、 熒光收集波段2： 800-1050 nm

3、 熒光收集波段3： 1000-1550 nm

4、 探測器： 2 通道 單光子探測器 4 通道 超導單光子探測器切換

5、 超導單光子探測器探測效率 ≥ 80%，暗計數 ≤50cps

三、 掃描模塊：
1、 精細掃描范圍 100um*100um

2、 精細位移分辨率： 1nm

3、 粗調范圍： 10mm*10mm

4、 粗調位移分辨率： 1um

四、微波序列控制模塊：
1、 時序精度： 2 ns

2、 最小脈寬： 10ns

3、 通道數： 16 個

五、微波發生模塊：
1、 微波頻段： 0.1 GHz – 6 GHz

2、 微波功率： 25 W

3、 頻率分辨率： 3 Hz

4、輸出功率衰減范圍： 0 – 85 dB

5、 幅度精度：≤ 0.25 d B

六、 射頻功率放大器模塊：
1、 帶寬： 0.1- 200 MHz

2、 功率： 20 W

3、 隔離度： 70 d B

七、磁場系統：
三維磁場，單軸磁場強度，0- 500 高斯連續可調

八、標準樣品：
1、 4H 碳化硅，單個硅空位色心陣列樣品，單色心比例 ≥ 30%，單色心飽和熒光強度≥8kcps

2、 4H 碳化硅，單個雙空位色心陣列樣品，單色心比例 ≥ 30%，單色心飽和熒光強度≥130kcps ODMR 對比度 ≥25%

3、 4H 碳化硅，單個 NV 色心陣列樣品，單色心比例 ≥20%

4、 金剛石 NV 色心系綜樣品， ODMR 對比度≥15%

九、儀器控制軟件：
熒光掃描和成像；金剛石NV 色心、碳化硅硅空位色心、雙空位色心、 NV 色心等色心的性質表征；光探測磁共振譜測量；全數字化儀器控制；實驗結果參數擬合；自動單色心尋找與測量分析；自動漂移校準。

四族半導體光探測磁共振譜儀硬件配置

1.連續波激光器

激光波長	532nm/721nm/914nm
輸出功率	≥ 100 mW
開關比	≥50dB
1 小時功率抖動	≤1%

 

2.單光子探測器

探測波長范圍	400-1000nm
ZD探測效率	70%
暗計數	≤100cps
時間分辨率	250 ps

 

3.超導單光子探測器

探測波長范圍	1000-1550nm
ZD探測效率	85%
暗計數	≤50cps
時間抖動	≤50 ps

 

4.XYZ 掃描模塊

閉環行程	100×100×100μm
開環行程	120×120×120μm
分辨率	0.2 nm
線性誤差	0.1%

 

5.紅外物鏡

數值孔徑 NA	0.85
工作距離	1 mm
矯正范圍	0-1.2 mm
透鏡鍍膜	近紅外波段

 

6.可見光物鏡

數值孔徑 NA	0.8
工作距離	3.4 mm
放大倍數	100X
透鏡鍍膜	可見光波段

 

7.微波發射源

頻率范圍	0.1GHz-6000GHz
頻率分辨率	3 Hz
輸出功率衰減范圍	0-85 dB
幅度精度	0.25 dB

 

8.射頻發射源

頻率范圍	0-250MHz
采樣率	2 GSa/S
記錄長度	16 MSa/通道
垂直分辨率	14 位

 

應用案例：

       圖 4. 四族半導體光探測磁共振譜儀                        圖 5. 控制軟件界面

             （用戶：中國科學技術大學）

 

           圖 6. 碳化硅單個雙空位色心光探測磁共振譜與光學性質測量

 

圖 7. 碳化硅單個NV 色心光探測磁共振譜與光學性質測量

 

            圖 8. 碳化硅單個硅空位色心陣列標樣測試結果

應用本系統發表文章列表：

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).