四族半導(dǎo)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(tǒng)                                                圖 3. 低 溫 系 統(tǒng)

系統(tǒng)特點(diǎn)

• 532nm/721nm/914nm 多種波長激光器自由切換；

• 熒光收集波段可實(shí)現(xiàn) 600-1550nm 全覆蓋；

• 同時(shí)配置超導(dǎo)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(shù)字化儀器控制、自動化光探測磁共振譜測量、自動漂移校準(zhǔn)；

• 靈活定制，可根據(jù)客戶需求拓展應(yīng)用系統(tǒng)；

• 提供四族半導(dǎo)體單自旋色心陣列標(biāo)樣定制；

四族半導(dǎo)體光探測磁共振譜儀主要技術(shù)指標(biāo)：

一、激發(fā)光模塊：
1、 激發(fā)光波長 1532 nm 、 721 nm 、 914 nm

2、 激發(fā)光功率： ≥ 100 mW

3、 開關(guān)比：≥50dB

4、 1 小時(shí)內(nèi)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(dǎo)單光子探測器切換

5、 超導(dǎo)單光子探測器探測效率 ≥ 80%，暗計(jì)數(shù) ≤50cps

三、 掃描模塊：
1、 精細(xì)掃描范圍 100um*100um

2、 精細(xì)位移分辨率： 1nm

3、 粗調(diào)范圍： 10mm*10mm

4、 粗調(diào)位移分辨率： 1um

四、微波序列控制模塊：
1、 時(shí)序精度： 2 ns

2、 最小脈寬： 10ns

3、 通道數(shù)： 16 個(gè)

五、微波發(fā)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(tǒng)：
三維磁場，單軸磁場強(qiáng)度，0- 500 高斯連續(xù)可調(diào)

八、標(biāo)準(zhǔn)樣品：
1、 4H 碳化硅，單個(gè)硅空位色心陣列樣品，單色心比例 ≥ 30%，單色心飽和熒光強(qiáng)度≥8kcps

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

3、 4H 碳化硅，單個(gè) 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(zhì)表征；光探測磁共振譜測量；全數(shù)字化儀器控制；實(shí)驗(yàn)結(jié)果參數(shù)擬合；自動單色心尋找與測量分析；自動漂移校準(zhǔn)。

四族半導(dǎo)體光探測磁共振譜儀硬件配置

1.連續(xù)波激光器

2.單光子探測器

3.超導(dǎo)單光子探測器

4.XYZ 掃描模塊

5.紅外物鏡

6.可見光物鏡

7.微波發(fā)射源

8.射頻發(fā)射源

應(yīng)用案例：

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

             （用戶：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)）

           圖 6. 碳化硅單個(gè)雙空位色心光探測磁共振譜與光學(xué)性質(zhì)測量

圖 7. 碳化硅單個(gè)NV 色心光探測磁共振譜與光學(xué)性質(zhì)測量

            圖 8. 碳化硅單個(gè)硅空位色心陣列標(biāo)樣測試結(jié)果

應(yīng)用本系統(tǒng)發(fā)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).