Mikroskop do badania pojedynczych defektów kwantowych i nanopróbek
Opis stanowiska
Aparatura składa się z mikroskopu konfokalnego, układu do rejestracji i analizy szybkich procesów optycznych oraz stanowiska preparatyki próbek.
Sercem stanowiska jest skanujący laserowy mikroskop konfokalny Olympus FV3000 wykorzystujący ramę mikroskopu odwróconego IX83. Mikroskop ten jest wyposażony w 4 lasery o długościach fali odpowiednio 405 nm, 488 nm, 561 nm oraz 633 nm, a także obiektywy apochromatyczne korygowane w zakresie 400 – 1000 nm, o powiększeniach od 1,25x do 60x (NA = 1,42). Umożliwia to prowadzenie badań spektroskopowych w całym zakresie widzialnym, a także w bliskiej podczerwieni. Układ detekcji stanowią 2 fotopowielacze typu GaAsP o czułości podwyższonej w zakresie widzialnym, wyposażone dodatkowo w holograficzne siatki dyfrakcyjne i układy przesłon umożliwiające prowadzenie obserwacji spektralnych w oknie o szerokości od 2 do 100 nm. Pozycjonowanie i ewentualne skanowanie próbki w dużym obszarze jest możliwe za pomocą precyzyjnego stolika z napędem ultradźwiękowym i optycznymi enkoderami pozycji o nanometrowej precyzji. Mikroskop ma budowę modułową i może być rozszerzany o kolejne funkcjonalności. Umożliwia podłączenie dodatkowego, zewnętrznego lasera, jak również wyprowadzenie światła fluorescencji na zewnątrz, co pozwala na połączenie go np. z wysokoczułym spektrometrem lub krzemowymi detektorami pojedynczych fotonów. Urządzenie zostało już wyposażone w niezbędne komponenty mikrofalowe pozwalające na badanie zjawiska optycznie rejestrowanego rezonansu magnetycznego (ODMR) w centrach NV.
Oprócz mikroskopu konfokalnego aparatura będzie wyposażona także w układ do rejestracji i analizy szybkich procesów optycznych oraz stanowisko preparatyki próbek. Na układ do rejestracji i analizy szybkich procesów będą się składać detektory pojedynczych fotonów (jitter < 300 ps), szybkie układy zliczające oraz oscyloskop o wysokim paśmie (≥ 2,5 GHz). W połączeniu z precyzyjnie sterowanymi czasowo (w skali ps, ns) źródłami optycznymi i mikrofalowymi możliwe będzie manipulowanie pojedynczymi spinami, implementowanie impulsowych protokołów pomiarowych (np. dynamical decoupling) oraz prowadzenie przy jego użyciu pomiarów sygnałów NMR pochodzących od pojedynczych molekuł z wykorzystaniem centrów NV jako sensorów. Aparatura ta umożliwi także precyzyjne badanie struktur energetycznych centrów poprzez analizę czasową zaników fluorescencji oraz prowadzenie szeregu doświadczeń z dziedziny optyki kwantowej, np. korelacji czasowych i antygrupowania fotonów, badania źródeł pojedynczych fotonów czy zapisywania informacji kwantowej w spinie centrum. Prowadzenie powyżej opisanych doświadczeń wymaga wysokiej czystości próbek, które będą przygotowywane w dedykowanym stanowisku wyposażonym w: plasma cleaner, wysokotemperaturowy (Tmax ≥ 1200°C) piecyk próżniowy, shaker/vortex i spin-coater.
Badania
Prowadzone przez nas badania skoncentrowane są zarówno wokół badań podstawowych, np. charakteryzacja oddziaływań spin-spin pomiędzy centrami barwnymi i ich najbliższym otoczeniem, czy przetwarzaniem informacji kwantowej, ale także ukierunkowane na zastosowania praktyczne. Obecnie rozwijamy metody pomiarów pól magnetycznych i temperatury w skali sub-mikrometrowej (rozdzielczość optyczna ~300 nm), przy użyciu nanodiamentów bogatych w centra barwne azot-wakancja (NV).
Chemiczna stabilność (nano)diamentów umożliwia ich wykorzystanie w biologii i medycynie jako znaczników fluorescencyjnych oraz sensorów takich wielkości fizycznych, jak pole elektryczne, magnetyczne ciśnienie czy temperatura mierzonych w środowisku biologicznym.
Nasza oferta badań zewnętrznych już teraz obejmuje:
- konfokalne obrazowanie próbek (fluorescencja, transmisja)
- obrazowanie spektralne (rozdzielczość do 2 nm)
- punktowe, bardziej precyzyjne pomiary widma
- rejestrację sygnałów rezonansu magnetycznego centrów NV w diamencie.
Będzie ona sukcesywnie rozszerzana w miarę pozyskiwania kolejnych elementów stanowiska.
W razie zainteresowania prowadzeniem u nas badań prosimy o kontakt emailowy: a.wojciechowski@uj.edu.pl