Наноалмазы позволяют использовать фемтосекунду

Научные отчеты, том 13, Номер статьи: 6286 (2023) Цитировать эту статью

1065 доступов

1 Альтметрика

Подробности о метриках

Квантовые свойства флуоресцентных наноалмазов открывают большие перспективы для изготовления квантовых устройств для физических приложений. Однако для использования их свойств наноалмазы необходимо соответствующим образом сочетать с подложкой. Здесь мы показываем, что ультратонкое и гибкое стекло (толщиной 30 микрон) можно функционализировать с помощью наноалмазов и придать ему наноформу с помощью интенсивных фемтосекундных импульсов для разработки наномеханических гибридных квантовых датчиков на основе кантилеверов. Изготовленные таким образом ультратонкие стеклянные кантилеверы демонстрируют стабильные оптические, электронные и магнитные свойства азот-вакансионных центров, включая четко выраженную флуоресценцию с бесфононными линиями и оптически обнаруживаемый магнитный резонанс (ODMR) вблизи 2,87 ГГц. Мы демонстрируем несколько сенсорных применений флуоресцентного ультратонкого стеклянного кантилевера путем измерения акустических импульсов, внешнего магнитного поля с использованием зеемановского расщепления NV-центров или непрерывного лазерно-индуцированного нагрева путем измерения теплового сдвига линий ODMR. Эта работа демонстрирует пригодность фемтосекундного флуоресцентного ультратонкого стекла в качестве новой универсальной подложки для многофункциональных квантовых устройств.

Азотные вакансионные центры (NV) в алмазных наночастицах привлекли большой интерес к разработке гибридных наномеханических квантовых (HNQ) систем из-за их уникальных оптических, тепловых, магнитных и биологических свойств с междисциплинарными приложениями в физике, биологии, химическом анализе и визуализации1,2 ,3,4,5,6. В большинстве систем HNQ наноалмазы, обладающие одним или ансамблем NV-центров, связаны с различными платформами, такими как резонатор на основе SiN, механический осциллятор или микрокантилеверы для измерения напряжения, температуры и магнитного поля с использованием высокой чувствительности квантовых состояний NV. к своей местной среде7,8,9. Кроме того, наноалмазы были напрямую введены в различные системы флуоресцентной визуализации и термометрии одиночных клеток с наномасштабным разрешением10,11. NV-центры представляют собой многообещающую твердотельную платформу для квантовых технологий благодаря работе при комнатной температуре с длительным временем спиновой когерентности12,13 и хорошо зарекомендовавшим себя оптическим методам инициализации и считывания спинов с высокой точностью14,15. Однако растет интерес к объединению NV-центров с новыми материалами, а также к разработке новых технологий изготовления, позволяющих использовать их потенциал для квантового зондирования.

Ранее NV-центры готовились на различных полупроводниковых и изолирующих подложках в виде кантилеверов16,17,18, микрополостей19, керамического перовскита20 и полимерных мембран21. Такие устройства HNQ, изготовленные на алмазных и кремниевых поверхностях, имеют такие преимущества, как легкий вес и высокая чувствительность к изменениям местной окружающей среды. Было продемонстрировано множество потенциальных применений датчиков на основе НВ, таких как измерение силы с помощью магнитных сканирующих зондов и атомно-силовой микроскопии (АСМ)22,23, высокоскоростных приводов20 и обнаружение одиночных молекул и белков24,25,26. Традиционная техника углового травления использовалась для изготовления отдельно стоящих систем HNQ на поверхностях алмаза или кремния с использованием электронно-лучевой литографии (EBL) и анизотропного плазменного травления в высоком вакууме16,27,28. Ранее было изучено взаимодействие фемтосекундных лазерных импульсов с NV-центрами, и эти лазерные импульсы были использованы для создания NV-центров на алмазном чипе29,30.

В последнее время коммерчески доступно высококачественное стекло толщиной 30 мкм, имеющее превосходные механические свойства, высокую гибкость, нанометровую плоскостность поверхности и высокую оптическую прозрачность. Ультратонкая (UT) стеклянная подложка становится незаменимой для ряда приложений массового рынка из-за ее низкой стоимости, высокой прочности поверхности и превосходной плоскостности менее 1 нм. UT-стекло использовалось для широкого спектра применений, таких как изготовление микрофлюидных устройств31,32,33, гибких электронных устройств34, фотоники35,36 и стабильных аттосекундных линий задержки37. Однако возможность объединения исключительных механических свойств UT-стекла с квантовыми свойствами NV-центра для создания гибких квантовых сенсоров остается неисследованной. Можно задаться вопросом, можно ли использовать возможности нанообработки фемтосекундной лазерной абляции для изготовления кантилеверов квантового зондирования на основе UT-стекла с поддержкой наноалмазов.