Scanning nano-spin ensemble microscope for nanoscale magnetic and thermal imaging
基于固态自旋的量子传感器在从基础物理和化学到生物医学成像的广泛领域提供了巨大的机会。然而，将它们集成到扫描探针显微镜中以实现实用的纳米级量子成像是一项极具挑战性的任务。最近，在金刚石中使用单自旋结合原子力显微镜技术已经允许朝着这个目标取得重大进展，但这种方法的推广到目前为止一直受到阻碍，由长的采集时间或同时地形信息的缺乏。在这里，我们报告的扫描量子探针显微镜，解决了这两个问题，通过采用纳米自旋合奏托管在纳米金刚石。这种方法在采集时间上提供了高达一个数量级的增益，同时保留了量子传感器和地形图像的亚100 nm空间分辨率。我们展示了这种显微镜的两个应用。我们首先通过自旋共振光谱和自旋弛豫法，在环境条件下的磁赤铁矿颗粒的纳米级集群的图像。我们的图像显示快速磁场波动，除了一个静态的组成部分，表明存在超顺磁性和铁磁性粒子。接下来，我们展示了一种新的成像方式，其中纳米自旋系综被用作温度计。我们使用这种技术来映射激光照射单个金纳米粒子在流体环境中产生的光致加热。这项工作为量子探针显微镜的新应用铺平了道路，例如操作微电子设备的热/磁成像和细胞膜中离子通道的磁检测。
2015-12-31 cond-mat.mes-hall
Selective measurement of charge dynamics in an ensemble of nitrogen-vacancy centers in nano- and bulk diamonds
金刚石中的氮空位（NV）中心在弱磁场（例如由生物系统产生的磁场）传感方面引起了相当大的兴趣。检测这种微弱的信号需要近地表的NV中心，以减少NV和源之间的距离。此外，NV的密集集合对于减少测量时间是高度期望的。然而，在这些系统中经常观察到鲁棒的电荷状态切换，导致电荷和自旋动力学之间的复杂相互作用，这可以降低可达到的自旋极化水平，从而降低灵敏度。因此，了解电荷状态切换背后的机制对于开发基于NV的传感器至关重要。在这里，我们展示了一种新的方法来选择性地测量在NVs的合奏通过淬火使用离轴磁场的自旋极化的电荷动力学。利用这种技术，我们表明，在纳米金刚石，电荷状态的不稳定性随着NV密度的增加而增加。在块状单晶金刚石的情况下，我们表明，位于表面附近的NV中心更稳定的中性（NV $^{0}$）的电荷状态，而带负电荷的（NV $^{-}$）的形式是更稳定的散装。
2018-12-06 cond-mat.mes-hall
Förster energy transfer of dark excitons enhanced by a magnetic field in an ensemble of CdTe colloidal nanocrystals
我们提出了一个系统的实验研究，随着理论建模的能量转移在合奏的紧密包装的CdTe胶体纳米晶体确定为福斯特共振能量转移（FRET）。我们证明，在4.2 K的低温下，主要是地面暗激子状态在最初激发的小尺寸（供体）纳米晶体参与偶极-偶极FRET导致额外的激发的大尺寸（受体）纳米晶体。由于亮激子态与暗态的弱混合，FRET成为可能。这种混合甚至在零磁场中也发生，并允许暗激子的辐射复合。外部磁场显著增强了这种混合，从而在15 T的场中将能量转移速率增加了2-3倍，以及供体和受体纳米晶体中暗激子的辐射速率。理论建模使我们能够确定NC作为较大纳米晶体的供体的概率的光谱依赖性，以评估能量转移速率以及预测它们对磁场的依赖性，描述由于能量转移引起的光致发光最大值的光谱偏移，并再现实验观察到的光致发光复合动力学的光谱依赖性，磁场。
2015-12-21 cond-mat.mes-hall
Sub-GHz linewidths ensembles of SiV centers in a diamond nano-pyramid revealed by charge state conversion
生产具有嵌入式寿命有限发射器的明亮集合的纳米结构是一项挑战，在广泛的物理科学中具有潜在的高影响力。在这项工作中，我们展示了受控的电荷转移到和从暗态表现出非常长的寿命在高密度合奏的SiV中心托管在CVD生长的金刚石纳米金字塔。此外，使用共振光致发光激发和频率选择性持续烧孔技术，利用这种电荷状态转移的组合，我们可以证明接近寿命有限的线宽从SiV中心。这种在远低于$λ^3$的体积中具有数千个明亮的窄线宽发射器的纳米结构将用于相干光-物质耦合、用于生物传感和纳米级温度测量。
2019-09-15 cond-mat.mes-hall quant-ph
Structural investigation of uniform ensembles of self-catalyzed GaAs nanowires fabricated by a lithography-free technique
自催化GaAs纳米线（NWs）的结构分析无光刻氧化物图案上生长的洞察其生长动力学。统计分析的模板和纳米线在不同阶段的增长揭示了极高的尺寸均匀性，由于均匀的成核位点的组合，缺乏二次成核的纳米线，和自我调节的成核反聚束的影响下的增长。因此，我们观察到的第一个证据，亚泊松GaAs NW长度分布。使用互补透射电子显微镜（TEM）和高分辨率X射线衍射仪（HR-XRD）证明了纳米线的高相纯度。它还表明，虽然纳米线在很大程度上是无缺陷的长达2 μ m的无孪晶锌段，低温显微光致发光光谱显示，结构无序部分的比例可以从它们的光谱特性检测。
2017-03-07 cond-mat.mes-hall
Harnessing nuclear spin polarization fluctuations in a semiconductor nanowire
在第一次测量凝聚态系统的核磁共振（NMR）后不久，布洛赫预言了在$N$自旋系综的极化中存在与$1/\sqrt{N}$成比例的统计涨落。首先由Sleator等人观察到，所谓的“自旋噪声”最近已经成为纳米级磁共振成像（nanoMRI）中的关键成分。这种突出是MRI分辨率提高到100 nm^3以上的直接结果，在100 nm^3的尺度下，统计自旋涨落开始主导极化动力学。我们展示了一种技术，通过利用这些波动产生比自然热分布更大和更窄的极化，在纳米级的核自旋集合中创建自旋顺序。我们专注于与单个InP和GaP纳米线（NW）及其含氢吸附层相关的包含~10^6磷和氢自旋的系综。我们实时监测、控制和捕获系综自旋极化的波动，并将其存储很长一段时间。这种选择性捕获大的极化波动可能提供一种增强纳米尺度体积的核自旋产生的弱磁信号的途径。该方案也可能被证明是有用的初始化在固态的电子自旋量子比特的核超精细场。
2013-07-23 cond-mat.mes-hall
Boundary between the thermal and statistical polarization regimes in a nuclear spin ensemble
随着系综中自旋数目的减少，其极化的统计涨落最终超过平均热极化。这种转变现在已经在最近的一些核磁共振实验中被超越，这些实验实现了纳米级的检测体积。在这里，我们使用磁共振力显微镜测量KPF 6样品中的纳米级核自旋集合。特别是，我们调查的制度之间的过渡为主的热和统计核极化。两种类型的偏振之间的比率提供了对检测到的系综中的自旋数量的测量。
2014-08-25 cond-mat.mes-hall
Understanding the magnetic resonance spectrum of nitrogen vacancy centers in an ensemble of randomly-oriented nanodiamonds
含有氮空位（NV-）中心的纳米金刚石显示出许多新兴应用的前景，包括靶向体内成像和产生用于增强NMR光谱和成像的核自旋超极化。在这里，我们开发了一个详细的理解的磁共振行为的NV-中心的纳米金刚石与随机晶体取向的合奏。二维光学检测的磁共振光谱揭示了能级，自旋布居和跃迁概率的分布，产生了一个复杂的频谱。我们确定泛音过渡，本质上是不敏感的晶体取向，并给出定义良好的过渡频率，访问整个纳米金刚石合奏。这些跃迁可以用于高分辨率成像和产生核自旋超极化。数据很好地描述了从零到高场制度，包括中间制度的最大复杂性的数值模拟。我们评估的前景nanodiamond合奏专门为核超极化和频率扫描动态核极化可能会转移大量的NV-中心的超极化核自旋通过扫描其频谱的一个小区域。
2017-07-22 cond-mat.mes-hall quant-ph
Statistical analysis of the shape of one-dimensional nanostructures: determining the coalescence degree of spontaneously formed GaN nanowires
在给定衬底上自发形成的单个GAN纳米线代表没有任何扩展缺陷的纳米级单晶。然而，由于如此形成的GAN纳米线系综的高面积密度，个别纳米线与其紧邻的其它纳米线聚结。这种聚结过程可能会引入应变和结构缺陷，由于纳米线的几何形状，挫败了无缺陷材料的想法。为了研究这一过程的后果，需要对纳米线系综的聚结进行定量测量。我们推导出客观的标准来确定GAN纳米线系综的聚结程度。这些标准是基于观察到的横截面形状的面积-周长关系，特别是它们的圆度。采用这些标准，我们区分单一的纳米线从合并的聚集在一个合奏，确定两者的直径分布，并最终分析纳米线合奏的合并程度与填充因子的增加。
2014-04-15 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci physics.data-an
Divergent effects of laser irradiation on ensembles of nitrogen-vacancy centers in bulk and nano-diamonds: implications for biosensing
金刚石中的带负电荷的氮空位中心（NV-）的集合体已经被提出用于感测磁场和顺磁剂，并且在磁共振应用中作为核的超极化的自旋序的来源。为此，强荧光纳米金刚石代表有前途的材料，具有大的表面积和密集的NV-。然而，表面效应倾向于支持不太有用的中性形式，即NV 0中心。在这里，我们研究的荧光特性和光学检测的磁共振（ODMR）的NV-中心作为激光功率的函数在强荧光散装金刚石和纳米金刚石通过纳米研磨的天然材料。在散装金刚石，我们发现，增加激光功率增加ODMR对比度，与功率依赖性增加自旋极化。令人惊讶的是，在纳米金刚石中，我们观察到非单调行为，在较高激光功率下ODMR对比度降低，这可归因于与块状金刚石相比纳米金刚石中更有效的NV-> NV。光转换，导致NV-池的耗尽。我们还研究了这一现象，在细胞培养物的内化ND在巨噬细胞。我们的研究结果表明，纳米金刚石的表面效应大大影响了NV性能，并提供了调整实验参数的指示。
2021-10-06 cond-mat.mes-hall physics.optics
Spin Lifetime in Small Electron Spin Ensembles Measured by Magnetic Resonance Force Microscopy
磁共振力显微镜可以实现自旋寿命的纳米级成像。我们报道了用这种技术测量含$\sim 100$电子自旋的系综的自旋极化统计涨落--自旋噪声--的自旋相关时间$τ_m$随温度的变化。由于自旋-悬臂梁耦合的磁机械弛豫被控制，并且可以影响微观信号的自旋相关时间的伪机制被表征。这些测量对于优化自旋灵敏度、理解局部自旋动力学和纳米级成像具有分支。
2011-10-28 cond-mat.mes-hall
Coherent control of solid state nuclear spin nano-ensembles
探测和控制核自旋纳米系综对于核磁共振（NMR）光谱学的进一步发展和新兴的固态量子技术至关重要。在这里，我们提出了一个$\approx$ 1纳米厚的金刚石层的制造组成的$^{13}$ C核自旋掺杂的氮空位中心（NV）嵌入在一个无自旋的$^{12}$ C晶体基质。该层附近的单个NV用于$^{13}$ C自旋的极化和其磁化的读出。我们展示了一种方法，通过使用射频脉冲的相干控制的几十个核自旋，并显示基本的相干控制实验-拉比振荡，拉姆齐光谱和哈恩回波，但任何NMR脉冲序列可以实现。所示的结果提出了实现基于核自旋的量子模拟器的第一步。
2018-02-08 cond-mat.mes-hall quant-ph
Diamagnetism of metallic nanoparticles as the result of strong spin-orbit interaction
结果表明，随着自旋轨道相互作用的发生，清洁金属纳米粒子的磁化率从顺磁性变为反磁性。利用随机矩阵理论，在对称性分析的基础上，对这种效应进行了量化。特别是，磁化率的函数的对称性破缺参数表示磁通量的交叉从辛酉和正交酉系综。相应的分析和数值计算结果提供了一个定性的解释的实验数据的金纳米棒系综的抗磁性。
2019-07-05 cond-mat.dis-nn cond-mat.mes-hall
Crystal-phase quantum dots in GaN quantum wires
我们研究了连续波和时间分辨光致发光光谱的性质的激子绑定到I1基面堆垛层错系综的GAN纳米线。这些GaN纳米线，通过热分解自发形成的GAN纳米线系综获得，是锥形的，尖端直径低至6 nm。随着纳米线直径的减小，我们观察到一个强烈的蓝移的跃迁起源于堆垛层错束缚激子的辐射衰减。此外，这种过渡的辐射寿命在纳米线是独立的温度高达60 K和显着长于相应的过渡生长的纳米线。这些研究结果揭示了零维字符的限制激子状态，从而表明，I1堆垛层错在x-ray纳米线作为真正的量子点。
2016-02-17 cond-mat.mes-hall
High-throughput ensemble characterization of individual core-shell nanoparticles with quantitative 3D density from XFEL single-particle imaging
这些结构，作为设计功能纳米材料的基石，推动了多功能纳米探针的发展，以了解非晶样品的局部结构。近年来，在原子尺度上分析单个样品的结构方面取得了显著的进展。然而，在大多数情况下，只有有限数量的样本进行检查，缺乏统计数据来代表系统的结构不均匀性。在这里，通过采用X射线自由电子激光的单粒子成像和多模型3D成像的新算法，我们成功地在几个小时内研究了几千个样品，并确定了3D结构的内在异质性。定量分析揭示了三维形态，小面指数和弹性应变。三维弹性能量分布进一步证实了分子动力学模拟，以获得在原子水平上的力学见解。这项工作建立了一个新的途径，以高通量表征的个体标本在大型合奏，从而克服统计缺陷，同时提供定量信息在纳米级。
2020-08-22 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
Phase behavior of a confined nano-droplet in the grand-canonical ensemble: the reverse liquid-vapor transition
采用蒙特卡罗模拟方法，研究了等化学势下，纳米尺度球形腔中Lennard-Jones流体的平衡密度分布和热力学性质.结果描述了一个单一的空腔与半渗透性的墙壁，以及在恒定的化学势形成的封闭的空腔的集合。计算结果进行了比较，使用经典的密度泛函理论（DFT）。结果发现，DFT计算给出了定量准确的描述的压力和结构的流体。理论和模拟都表明存在“反向”液-汽转变，即平衡态在大体积时为液体，但在小体积时变为蒸汽。
2009-11-17 cond-mat.mes-hall cond-mat.stat-mech
Polarized emission of CdSe nanocrystals in magnetic field: the role of phonon-assisted recombination of the dark exciton
利用极化光致发光技术研究了在高达30 T的强磁场中玻璃基质中合成的CdSe纳米晶中激子的复合动力学和自旋极化。通过增加温度和磁场加速动力学，证实了低温光致发光（PL）的暗激子性质。在磁场中的圆偏振光致发光揭示了几个不寻常的现象：（i）偏振度的光谱依赖性，（ii）其低饱和值，和（iii）更强的强度的塞曼分量是更高的能量。后者的功能是最令人惊讶的是在矛盾的激子自旋子能级的热人口。以前在湿化学合成的CdSe纳米晶体的系综中观察到相同的矛盾，但没有被理解。我们提出了一个理论，它解释了所有观察到的功能，并表明，从合奏的纳米晶体的圆偏振PL最大值的逆序是零声子（ZPL）和一个光学声子（1PL）之间的竞争的结果辅助发射的暗激子。理论模型的基本方面是通过ZPL和1PL复合通道的暗激子发射的不同偏振特性和超过光学声子能量的纳米晶体的集合的PL光谱的不均匀加宽。
2020-11-05 cond-mat.mes-hall
Nanoscale Solid-State Nuclear Quadrupole Resonance Spectroscopy using Depth-Optimized Nitrogen-Vacancy Ensembles in Diamond
体量子材料的核磁共振（NMR）和核四极共振（NQR）光谱学提供了对诸如量子相临界性、磁性和超导性等现象的洞察。随着具有磁性现象的纳米级2-D材料的出现，感应检测的NMR和NQR光谱学不足以灵敏地检测纳米材料中的较小数量的自旋。金刚石中的氮空位（NV）中心已经显示出将NMR和NQR光谱的分析能力带到纳米级的希望。然而，由于缺陷中心的深度依赖性形成效率、来自表面自旋的噪声、能带弯曲效应以及核磁场的深度依赖性，关于极化自旋的表面NMR的理想NV深度存在模糊性。在这项工作中，我们准备了一系列的浅NV系综层深度，并确定了理想的NV深度进行NMR光谱的偏振\fluorine{}在Fomblin油的金刚石表面。我们发现，使用XY 8-N噪声光谱实现SNR为3所需的测量时间在NV深度为5.4 nm处最小。为了证明NV系综的传感能力，我们对六方氮化硼薄片的\boron{}进行NQR光谱。我们比较我们最好的金刚石与以前的工作与一个单一的NV，发现这个合奏提供了一个较短的测量时间与激发直径小至4 $μ$ m。该分析为进一步的实验提供了理想的条件，这些实验涉及具有磁性的2-D材料的NMR/NQR光谱。
2021-12-29 cond-mat.mes-hall quant-ph
Nonstandard transition GUE-GOE for random matrices and spectral statistics of graphene nanoflakes
重新讨论了锯齿形边缘的弱无序三角形石墨烯薄片的光谱统计。早些时候，我们已经在数值上发现，这样的系统可能显示出GUE的光谱波动，表明在零磁场处的时间反演对称性破缺，伴随着每个能级的近似两倍谷简并[Phys.Rev.B85，245424（2012）]。原子尺度的无序诱导了谷间载流子的散射，恢复了GOE的光谱起伏。本文还提出了一种利用4 × 4实对称矩阵的混合系综对这种非标准的GUE-GOE跃迁进行简化描述的方法。在这里，我们补充我们以前的研究，通过数值分析属于同一混合系综的大矩阵的光谱波动。所得的标度律将系综参数与石墨烯薄片中的物理尺寸和原子尺度缺陷的数量相关联。的相图，指示区域中的签名GUE可以通过观察到的尺寸掺杂参数平面，提出。
2016-06-21 cond-mat.mes-hall
Single-Emitter Spectra from an Ensemble
Massachusetts Institute of Technology（麻省理工学院）；Samsung Advanced Institute of Technology, Samsung Electronics（三星先进技术研究所，三星电子）
SPICEE是一种通过光谱过滤技术从集体样品中恢复单粒子发射线形的高通量工具，用于准确表征纳米尺度系统的单发射体特性。
2026-02-11 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci physics.optics
Majorana ensembles with fractional entropy and conductance in nanoscopic systems
量子热力学是一个有前途的路线明确检测的马约拉纳束缚态。与量子输运有着本质的不同，这种方法揭示了独特的马约拉纳热力学行为，加深了我们对马约拉纳量子输运本身的认识。在这里，我们证明了一个纳米级系统的拓扑超导体产生了显着的积累的马约拉纳热力学状态在广泛的马约拉纳隧穿阶段，通过增加它的温度$T$。揭示这种身体行为有双重好处。首先，它显着降低了依赖的熵的隧道相位，在实验中变得几乎无关紧要。第二，分数马约拉纳熵$S_M^{(2)}=k_B\ln(2^\frac{3}{2})$可以在高温下观察到，这大大促进了实验。通过对量子输运的分析，我们预测，当温度升高时，上述热力学行为将导致线性电导从零值异常增加到向高温延伸的幺正分数Majorana平台$G_M=e^2/2h$.
2021-11-11 cond-mat.mes-hall cond-mat.supr-con
Modeling the Magnetization Dynamics for Large Ensembles of Immobilized Magnetic Nanoparticles in Multi-dimensional Magnetic Particle Imaging
磁性纳米粒子（MNP）在生物医学应用中发挥着重要作用，包括成像模式，如MRI和磁性粒子成像（MPI）。后者利用了大量磁性纳米颗粒对磁场的非线性磁化响应，这允许从测量的电压信号确定MNP浓度的空间分布。目前，在MPI环境中对MNP的大集合的电压信号进行建模尚不准确，特别是对于多维磁激励场中的液体示踪剂。因此，电压到图像映射仍然是在耗时的校准过程中获得的。虽然铁磁流体的情况下，可以被看作是典型的设置，最近固定化和潜在的定向MNP已经受到了相当大的关注。通过在固定过程中对齐颗粒，可以将易磁化轴的角度编码到磁化响应中，为基于模型的方法提供复杂的基准系统。在这项工作中，我们解决了固定化，面向MNP的MPI的上下文中的建模问题。我们研究了一种基于模型的方法，其中的磁化强度响应是由粒子的磁矩的Néel旋转模型模拟的，而系综磁化强度是通过求解Fokker-Planck方程的方法获得的。由于该模型的参数是先验未知的，我们调查不同的方法进行参数识别，并讨论两个模型：一个是使用一个单一的功能向量从空间跨越的模型参数和另一个功能向量的叠加被认为是。我们表明，我们的模型可以更准确地再现与方向相关的信号响应相比，平衡模型，这标志着目前的最先进的基于模型的系统矩阵模拟MPI。
2021-06-15 cond-mat.mes-hall physics.comp-ph
Nanostructured complex oxides as a route towards thermal behavior in artificial spin ice systems
我们已经使用软X射线光电子显微镜图像的磁化单域La $_{0.7}$ Sr $_{0.3}$ MnO $_{3}$纳米岛排列在几何挫折配置，如方形冰和戈薇冰的几何形状。热随机化后，具有强岛间磁耦合的纳米岛系综向低能配置弛豫。统计分析表明，合奏落入低能量配置的可能性强烈依赖于退火温度。与高于居里温度的退火相比，退火到刚好低于铁磁膜的居里温度（T $_{C}$ = 338 K）允许实现低能量配置的大得多的可能性。在325 K的热活性温度下，铁磁纳米岛的集合随着时间的推移探索它们的能量景观，并最终过渡到较低的能量状态，与从居里温度以上冷却时获得的冻结配置相比。因此，该材料系统允许一种简便的方法来系统地研究在略高于室温的温度下纳米岛的人工自旋冰阵列的热演化。
2017-05-05 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
Effect of dipolar interactions on optical nonlinearity of two-dimensional nanocomposites
在这项工作中，我们计算了偶极-偶极相互作用的光学非线性的二维随机合奏的纳米粒子，具有一组激子水平，例如，量子点的贡献。得到了TM波和TE偏振光沿平面传播时的贡献的解析表达式。它示出的光学非线性，所造成的偶极-偶极相互作用的纳米粒子的平面系综，是几倍小于类似的非线性散装纳米复合材料。预期在比量子点激子上升时间大得多的时间尺度处观察到这种类型的光学非线性。所提出的方法可以应用于各种类型的纳米复合材料的形状。
2013-03-25 cond-mat.dis-nn cond-mat.mes-hall physics.optics
