Ressonância magnética detectada opticamente - Optically detected magnetic resonance

Em física, a ressonância magnética detectada opticamente ( ODMR ) é uma técnica de ressonância dupla pela qual o estado de spin do elétron de um defeito de cristal pode ser bombeado opticamente para a inicialização e leitura do spin.

Como a ressonância paramagnética de elétrons (EPR), ODMR faz uso do efeito Zeeman em elétrons desemparelhados. O centro de vacância de nitrogênio carregado negativamente (NV ^- ) tem sido alvo de considerável interesse no que diz respeito à realização de experimentos usando ODMR.

ODMR de NV ^- s em diamante tem aplicações em magnetometria e sensoriamento, imagens biomédicas , informação quântica e exploração da física fundamental .

NV ODMR

O defeito de vacância de nitrogênio no diamante consiste em um único átomo de nitrogênio substitucional (substituindo um átomo de carbono ) e uma lacuna adjacente, ou vazio, na rede onde normalmente um átomo de carbono estaria localizado.

Um centro de vacância de nitrogênio na estrutura do diamante , visto ao longo do eixo [100]. Os átomos de carbono (cinza) constituem o cristal de diamante em massa. Um átomo de nitrogênio substitucional (esfera azul) fica próximo a um vazio (região sombreada), formando o NV.

A vacância de nitrogênio ocorre em três estados de carga possíveis: positivo (NV ⁺ ), neutro (NV ⁰ ) e negativo (NV ^- ). Como NV ^- é o único desses estados de carga que mostrou ser ODMR ativo, muitas vezes é referido simplesmente como NV.

A estrutura do nível de energia do NV ^- consiste em um estado fundamental tripleto, um estado excitado tripleto e dois estados singleto. Sob excitação óptica ressonante, o NV pode ser elevado do estado fundamental do tripleto para o estado excitado do tripleto. O centro pode então retornar ao estado fundamental por meio de duas rotas; pela emissão de um fóton de 637 nm na linha zero de fônons (ZPL) (ou comprimento de onda mais longo da banda lateral do fônon) ou, alternativamente, por meio dos mencionados estados singlete através do cruzamento intersistema e a emissão de um fóton de 1042 nm. Um retorno ao estado fundamental pela última rota resultará preferencialmente no estado. ${\ displaystyle m_ {s} = 0}$

O relaxamento para o estado necessariamente resulta em uma diminuição na fluorescência do comprimento de onda visível (já que o fóton emitido está na faixa do infravermelho ). O bombeamento de microondas em uma frequência ressonante coloca o centro no estado degenerado . A aplicação de um campo magnético elimina essa degenerescência , causando a divisão de Zeeman e a diminuição da fluorescência em duas frequências ressonantes, dada por , onde é a constante de Planck , é o fator g do elétron e é o magneto de Bohr . Varrer o campo de microondas por essas frequências resulta em duas quedas características na fluorescência observada, a separação entre as quais permite a determinação da força do campo magnético . ${\ displaystyle m_ {s} = 0}$${\ displaystyle \ nu = 2,87 {\ text {}} GHz}$${\ displaystyle m_ {s} = \ pm 1}$${\ displaystyle h \ nu = g_ {e} \ mu _ {B} B_ {0}}$${\ displaystyle h}$${\ displaystyle g_ {e}}$${\ displaystyle \ mu _ {B}}$${\ displaystyle B_ {0}}$

A excitação com luz verde coloca o NV no estado de excitação tripla. O relaxamento então emite um fóton vermelho ou infravermelho (não detectado), colocando o centro no estado. O bombeamento de microondas eleva o centro para , onde a divisão Zeeman pode ocorrer.${\ displaystyle m_ {s} = 0}$${\ displaystyle m_ {s} = \ pm 1}$

Divisão hiperfina

A divisão adicional no espectro de fluorescência pode ocorrer devido à interação hiperfina que leva a outras condições de ressonância e linhas espectrais correspondentes. Em NV ODMR, esta estrutura detalhada geralmente se origina de átomos de nitrogênio e carbono-13 próximos ao defeito. Esses átomos têm pequenos campos magnéticos que interagem com as linhas espectrais do NV, causando mais divisão.

Referências