钻石硅空位色心发射异质性来源：低温阴极发光显微镜的应用

在量子发射体的基本属性研究领域，低温阴极发光显微镜技术的显著进步已经引起了广泛关注。在众多量子发射体中，钻石中的硅空位（SiV）色心由于其卓越的亮度、窄的发射线和最小的环境相互作用而受到重视。它们不仅可以作为光源，还可以作为精密的传感器，对压力、温度、电场和磁场，甚至生物化学过程做出反应。

然而，阻碍SiV色心实际部署的一个主要挑战是发射异质性，这可能显著影响其光学属性。SiV色心的发射异质性指的是不同SiV色心之间发射属性（如亮度和光谱线）的变化。人们认为这种异质性源于多种因素，包括表面缺陷、晶格应力、缺陷对称性以及其他晶格杂质的存在。为了充分利用SiV色心的潜力，至关重要的是要揭示这种发射异质性的来源。

最近发表的一篇论文，采用了一种强大的技术——低温阴极发光显微镜，来研究SiV发射的结构异质性来源。这种方法结合了低温电子显微镜的高分辨率成像能力和阴极发光的光谱能力：低温电子显微镜通过在极低温度下用电子轰击样品，最大限度地减少扭曲，从而实现原子水平结构的可视化；另一方面，阴极发光利用电子束激发样品中的电子，促使它们发出具有特征波长的光，从而揭示材料的组成和性质。

通过将低温电镜与阴极发光探测器耦合，研究人员不仅可以观察到SiV中心的原子结构，还可以同时测量其发出的光。这使得在色心的结构特性和色心的光学发射特性之间可以直接关联。

研究小组将这项技术应用于纳米钻石，特别关注直接在低温电子显微镜膜上生长的SiV中心。这种方法模拟了色心的自然形成条件，为其在实际应用中的行为提供了有价值的见解。通过利用4D扫描透射电子显微镜，一种提供额外成分信息的冷冻电镜的变体，研究人员能够实现亚纳米分辨率，为SiV中心的复杂世界提供前所未有的视角。

这些研究的一个关键发现是拉伸应力与零声子线（ZPL）能量蓝移的相关性，而压缩应力则导致ZPL红移。也就是说拉伸应变越大，SiV中心发射能量越高(波长越短)。此外，还观察到不同晶粒中SiV发射体密度的变化以及晶界对SiV发射的影响。这些发现对于理解导致发射异质性的结构因素至关重要。

此外，4D扫描透射电子显微镜的使用使得能够在单个纳米钻石内可视化单个亚晶粒，揭示了ZPL能量和亮度的差异，这些差异在能量上可以变化0.1 meV，在亮度上可以超过70%。这样详细的分析对于识别导致发射异质性的确切结构不规则性至关重要。

这些发现的影响是深远的。通过确定影响SiV发射的原子级结构，研究人员可以制定策略来控制和减少异质性，从而提高基于SiV色心的可靠性和可扩展性。这反过来可能加速量子材料和设备的发展，为量子信息科学的突破铺平道路。

总之，通过低温阴极发光显微镜技术揭示SiV色心发射异质性来源，在量子材料领域标志着重要的进步。它不仅增强了我们对原子结构与量子发射复杂关系的理解，而且为发展先进的量子技术开辟了新的途径。