単一分子分光を用いた一個の核スピンの量子状態の観測

使用单分子光谱观察单个核自旋的量子态

• 批准号: 16655003
• 负责人: 松下 道雄
• 金额: $ 2.37万
• 依托单位: Tokyo Institute of Technology
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Exploratory Research
• 财政年份: 2004
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2004 至 2005
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-16655003/
• 关键词: 単一スピン; 量子情報; 単一分子分光; 共焦点顕微鏡

固体中の一個の核スピンの量子状態を光を使って読み出そうという実験に向けて、初年度は液体ヘリウム用の共焦点顕微蛍光分光装置をつくった。集光効率を重視して作成したが微弱蛍光検出の感度が、系として考えているLaF_3中のPr^<3+>イオンを検出するには少なくともあと一桁足らないことが分かった。製作した低温用の顕微分光装置で集光効率にとって最も重要で、しかも通常の室温用の装置に比べて著しく劣っているのが対物レンズなので、市販の顕微鏡用対物レンズの集光率に近づけるべく、液体ヘリウム温度で使える明るい対物レンズの開発に取り組んだ。主な問題点は組みレンズが使えないので色収差を消せないこと、液体ヘリウム(屈折率1.025)を考慮していないため結像能が悪いことである。屈折系ではなく反射系を用いることを検討した結果、レンズ製造の工作精度で技術的に可能な反射型対物レンズの設計を完成させることができた。ここで系に要求される発光特性について一考しておく。一個のイオンから発せられる微弱な蛍光を利用する実験なのでもっと良く光る系を選ぶべきであるが、今回の実験では以下のような制約がある。即ち良く光るということは励起状態の寿命が短く、光を吸って励起状態へ移るとすぐに光子を放出して次の光を吸えるようになることなのだが、核スピンの状態による磁気的エネルギーの違いを共鳴光の周波数の差として区別できる程度には寿命が長くなければならない。実験の目的に完全に合致した理想的なパラメータを持つ系が現実には存在しないが、理論的上限を知ることは実験を進める上で重要である。Pr^<3+>イオンを例に取ると、基底状態と励起状態における核四極子分裂の差は10MHz程度、励起状態^3Poの寿命は47μsである。スペクトルの寿命幅Δν(半値全幅fwhm)と寿命τとの関係はπΔντ=1であるからPr^<3+>イオンの寿命幅はおよそ10kHzである。核スピン状態をスペクトルで分離するには線幅の10倍の分裂が必要とすると、理論的限界までには数十倍から百倍程度のゆとりがある。

在第一年，我们为液态氦创建了一个共聚焦微荧光光谱仪，旨在使用光来读取固体中单个核自旋的量子状态。尽管该产品是为了重点收集效率而产生的，但发现弱荧光检测的灵敏度至少比LAF_3中的Pr^<3+>离子的检测小于一个数量级，我们认为这是系统。客观晶状体是制成的低温微光谱仪中光收集效率的最重要因素，并且与普通的室温设备相比明显不如普通的室温设备，因此我们致力于开发可在液态氦气温度下使用的明亮物镜镜头，以使其更接近可在市售的可用显微镜目标镜头的光收集速度。主要问题是不能消除色差，因为无法使用透镜，并且由于不考虑液体氦（折射率1.025），因此成像能力很差。由于考虑使用反射系统而不是折射系统，我们已经能够完成反射性物镜的设计，从而在技术上可以通过晶状体制造的制作精度进行技术。在这里，我们将考虑系统所需的发光特性。由于该实验使用了从单个离子发出的弱荧光，因此应该选择更好的发光系统，但是当前的实验具有以下限制：换句话说，良好的光泽意味着要缩短兴奋状态的寿命，一旦吸收光线，并且一旦它吸收光线，并且在兴奋状态下可以散发出足够的范围，并且可以将光子散发出足够的范围，并且可以吸收的效率足以吸收效率，并且可以吸收效果，并且可以吸收效率，并且可以吸收效果。共振光的频率差异。尽管现实中没有系统的理想参数完全与实验的目的相匹配，但了解理论上限在实验的进展中很重要。以Pr ^<3+>离子为例，地面和激发态之间的核四极分裂之间的差异约为10 MHz，而激发态 ^3PO的寿命为47μm。寿命宽度δν（最大FWHM的全宽度）与寿命τ之间的关系为πδντ= 1，因此Pr^<3+>离子的寿命宽度约为10 kHz。如果将线宽分开10倍以通过光谱分离核自旋状态，则需要几十至一百倍的空间到理论极限。