KR102765079B1 - Solid-state qubit imaging apparatus - Google Patents
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Abstract
본 실시예에 의한 이미징 장치는, 샘플 내에 위치하여 단일 광자와 양자 스핀을 제공하는 결함(defect) 상에 배치된 미소구체(microsphere); 상기 미소구체에 광을 제공하고, 상기 미소구체를 통하여 상기 결함을 이미징하는 광학계 및 상기 결함에서 형성된 광을 제공받고, 상응하는 전기적 신호로 변환하는 신호 처리부를 포함한다.An imaging device according to the present embodiment includes a microsphere positioned on a defect located within a sample and providing a single photon and a quantum spin; an optical system providing light to the microsphere and imaging the defect through the microsphere; and a signal processing unit receiving light formed at the defect and converting it into a corresponding electrical signal.
Description
본 기술은 이미징 장치와 관련된다. The present technology relates to imaging devices.
결정의 점 결함들(point defects)은 양자 응용 분야에서 중요한 빌딩 블록을 제공한다. 결함 큐빗을 광학적으로 다루기 때문에 효율적인 광학 인터페이스가 중요하다. Point defects in crystals provide important building blocks for quantum applications. Since defect qubits are manipulated optically, efficient optical interfaces are important.
다이아몬드의 질소 공극(Nitrogen-vacancy) 또는 실리콘 공극 중심과 같은 결정의 광학 활성 점 결함(Optically active point defects)은 반도체 플랫폼에서 양자 기술을 구현하기 위한 후보로 주목을 받고 있다. 이러한 결함은 단일 광자와 실온에서 1ms에 걸친 긴 결맞음성을 가진 스핀을 제공할 수 있다. 최근에는 단일 결함을 넘어 인접한 여러 결함에 접근(address)하는 것이 더욱 중요해지고 있다. Optically active point defects in crystals, such as nitrogen vacancy in diamond or silicon vacancy centers, are attracting attention as candidates for implementing quantum technologies on semiconductor platforms. These defects can provide spins with long-term coherence of single photons and up to 1 ms at room temperature. Recently, it has become increasingly important to address multiple adjacent defects beyond single defects.
다수의 선행 연구에서 다중 큐빗 레지스터, 다중 공진 방출기(multiple resonant emitters)의 초복사 방출(superradiant emission), 자기장 또는 전기장의 광역 이미징(wide-field imaging)을 가능하게 하는 확장 가능한 양자 시스템을 시연하였다. 따라서 여러 인접 결함을 광학적으로 분리하기 위해 고해상도 및 높은 신호 대 잡음비를 가진 광학 인터페이스의 비중이 증가하고 있다. 그러나, 기존의 광학 현미경은 회절 제한 공간 해상도(diffraction-limited spatial resolution) 및 결정, 기판 및 인근 결함 및 시료의 기판에 의한 배경 형광(background fluorescence)으로 인해 벌크 결정의 결함에 접근(address)하는 것이 곤란하다.Many previous studies have demonstrated scalable quantum systems that enable multi-qubit registers, superradiant emission from multiple resonant emitters, and wide-field imaging of magnetic or electric fields. Therefore, the importance of optical interfaces with high resolution and high signal-to-noise ratio is increasing to optically isolate multiple adjacent defects. However, conventional optical microscopes have difficulty in addressing defects in bulk crystals due to diffraction-limited spatial resolution and background fluorescence from the crystal, substrate, nearby defects, and the sample substrate.
나노와이어(nanowires), 나노빔(nanobeams), 불스아이(bullseyes), 솔리드 이머젼 렌즈(solidimmersion lenses)와 같은 마이크로/나노포토닉 구조를 제작하여 광추출 효율을 향상시키려는 많은 노력이 있었다. 이러한 구조는 단일 결함의 밝기를 10배 이상으로 극적으로 증가시켰고 Purcell 효과에 의해 복사 재결합 속도를 향상시켰다. There have been many efforts to improve the light extraction efficiency by fabricating micro/nanophotonic structures such as nanowires, nanobeams, bullseyes, and solid immersion lenses. These structures dramatically increased the brightness of a single defect by more than an order of magnitude and enhanced the radiative recombination rate by the Purcell effect.
그러나 이러한 접근 방식은 다이아몬드와 같은 고경도 재료를 위한 정교한 제조 공정을 필요로 하며, 나노 스케일 장치는 종종 광학 및 스핀 큐빗의 결맞음성을 악화시킨다. 또한, 최대 광학 모드에서 결함을 광자 구조와 결합하기 위해서는 패턴 또는 결함의 정밀한 공간 제어가 필요하다.However, these approaches require sophisticated fabrication processes for high-hardness materials such as diamond, and nanoscale devices often deteriorate the coherence of optical and spin qubits. In addition, precise spatial control of patterns or defects is required to couple defects with photonic structures in the maximum optical mode.
공간 분해능을 개선하기 위해 근거리장 프로브(near-field probes), 플라즈몬 격자(plasmon gratings), 유도 방출 공핍 현미경(stimulated emission depletion microscopy) 및 푸리에 자기 이미징(Fourier magnetic imaging) 과 같은 다양한 초해상도 기술을 사용할 수 있다. 이러한 기술은 10nm 미만의 공간 해상도에서 상당한 개선을 가져왔지만 제한된 이미징 깊이, 낮은 광학 처리량, 비복사 손실 및 공핍 빔 또는 경사 자기장과 같은 복잡한 광학 시스템과의 결합을 필요로 한다. 따라서 높은 공간 분해능과 높은 신호 대 잡음비로 근접한 결함을 분리하는 것은 여전히 과제로 남아 있으며, 고굴절률 결정을 위한 기존의 공초점 형광 현미경은 광자 수집 효율과 공간 분해능이 제한적이다. To improve the spatial resolution, various super-resolution techniques such as near-field probes, plasmon gratings, stimulated emission depletion microscopy, and Fourier magnetic imaging can be used. Although these techniques have brought about significant improvements in the spatial resolution below 10 nm, they suffer from limited imaging depth, low optical throughput, non-radiative losses, and require coupling with complex optical systems such as depletion beams or gradient magnetic fields. Therefore, it remains a challenge to isolate closely spaced defects with high spatial resolution and high signal-to-noise ratio, and conventional confocal fluorescence microscopy for high-refractive-index determinations has limited photon collection efficiency and spatial resolution.
본 실시예에 의한 이미징 장치는: 샘플에 위치하여 타겟 상에 배치된 미소구체(microsphere);상기 미소구체에 광을 제공하고, 상기 미소구체를 통하여 상기 타겟을 이미징하는 광학계; 상기 타겟에서 형성된 광을 제공받고, 상응하는 전기적 신호로 변환하는 신호 처리부를 포함한다.An imaging device according to the present embodiment includes: a microsphere positioned on a sample and arranged on a target; an optical system providing light to the microsphere and imaging the target through the microsphere; and a signal processing unit receiving light formed at the target and converting it into a corresponding electrical signal.
본 실시예의 어느 한 측면에 의하면, 상기 미소 구체는, 상기 미소 구체 외부 환경의 굴절율과의 차이가 1.3 내지 1.7인 물질로 이루어진다. According to one aspect of the present invention, the microspheres are made of a material having a difference in refractive index between the microspheres and an external environment of the microspheres of 1.3 to 1.7.
본 실시예의 어느 한 측면에 의하면, 상기 미소 구체는 바륨타이타네이트(BaTiO3) 재질, 용융 실리카(fused silica) 혹은 라임 유리(lime glass) 중 어느 하나의 재질이다.According to one aspect of the present invention, the microspheres are made of one of barium titanate (BaTiO3), fused silica, or lime glass.
본 실시예의 어느 한 측면에 의하면, 상기 타겟은 고체 큐빗이다.In one aspect of the present embodiment, the target is a solid qubit.
본 실시예의 어느 한 측면에 의하면, 상기 고체 큐빗은 양자점, 이차원 물질 및 고체 점결함을 포함한다.In one aspect of the present invention, the solid qubit comprises a quantum dot, a two-dimensional material, and a solid point defect.
본 실시예의 어느 한 측면에 의하면, 상기 고체 점결함은 SiC 점결함, HBN 및 다이아몬드 내에 위치한 점결함 중 어느 하나이다. According to one aspect of the present invention, the solid point defect is any one of a SiC point defect, a HBN point defect, and a point defect located in diamond.
본 실시예의 어느 한 측면에 의하면, 상기 다이아몬드 내에 위치한 점 결함은 단일 광자와 양자 스핀을 제공한다.According to one aspect of the present invention, a point defect located within the diamond provides a single photon and a quantum spin.
본 실시예의 어느 한 측면에 의하면, 상기 이미징 장치는, 상기 샘플 아래에 형성된 허상을 이미징한다.According to one aspect of the present embodiment, the imaging device images a virtual image formed under the sample.
본 실시예의 어느 한 측면에 의하면, 상기 미소구체는, 상기 미소구체의 굴절율에 비하여 낮은 굴절율을 가지는 침지 오일에 침지된다.According to one aspect of the present invention, the microspheres are immersed in an immersion oil having a lower refractive index than the refractive index of the microspheres.
본 실시예의 어느 한 측면에 의하면, 상기 이미징 장치는, 상기 광을 제공하는 광원과, 상기 결함에서 제공된 광을 수광하여 상응하는 전기적 신호로 형셩하는 수광부 및 상기 전기적 신호를 처리하는 신호 처리부를 더 포함한다.According to one aspect of the present embodiment, the imaging device further includes a light source providing the light, a light receiving unit receiving the light provided from the defect and converting it into a corresponding electrical signal, and a signal processing unit processing the electrical signal.
본 실시예의 어느 한 측면에 의하면, 상기 광원은 연속파 레이저이고, 상기 수광부는 어밸런치 포토 다이오드를 포함한다.According to one aspect of the present embodiment, the light source is a continuous wave laser, and the light receiving unit includes an avalanche photodiode.
본 실시예의 어느 한 측면에 의하면, 상기 이미징 장치는, 상기 미소구체를 상기 결함 상에 배치하는 광학 트위저(optical tweezer)를 더 포함하고, 상기 광학 트위저는 레이저 광원을 포함한다.In one aspect of the present invention, the imaging device further comprises optical tweezers for positioning the microspheres on the defect, wherein the optical tweezers comprise a laser light source.
본 실시예의 어느 한 측면에 의하면, 상기 광학계는 공초점 현미경이다.In one aspect of the present invention, the optical system is a confocal microscope.
본 실시예에 의한 미소 구체 보조 공초점 현미경을 사용하여 다이아몬드의 결함에 대한 고해상도, 고대비 이미징을 보여준다. 미소 구체는 최대 λ/5의 공간 분해능과 광학 신호 대 잡음비를 네 배 가량 향상시키는 확대된 허상으로 점 결함에 대한 우수한 광학 인터페이스를 제공한다. 이러한 기능을 통해 종래 기술에 비하여 높은 신호 대비도로 단일 광자 및 기존 공초점 현미경에서 공간적으로 분리할 수 없었던 다중 결함의 단일 스핀에 대한 개별 광학 접근이 가능하다. Herein, we demonstrate high-resolution, high-contrast imaging of defects in diamond using microsphere-assisted confocal microscopy. The microspheres provide an excellent optical interface to point defects with a spatial resolution of up to λ/5 and a magnified virtual image that improves the optical signal-to-noise ratio by a factor of four. These features enable individual optical access to single photons and single spins of multiple defects that are not spatially separable in conventional confocal microscopy, with high signal contrast compared to prior art.
또한, 결합된 광학 트위저은 또한 미소 구체를 위치 지정하거나 스캔할 수 있는 가능성을 보여준다. 이 접근 방식은 복잡한 제조 및 추가 광학 시스템이 필요하지 않지만, 기성품인 간단한 마이크로 광학을 사용한다. 미소 구체의 이러한 독특한 장점으로 인해 우리의 접근 방식은 더 높은 해상도와 감도로 밀접하게 배치된 결함을 이미징하고 분리하는 효율적인 방법을 제공할 수 있다.In addition, the combined optical tweezers also demonstrate the possibility of positioning or scanning microspheres. This approach does not require complex fabrication and additional optical systems, but uses simple off-the-shelf micro-optics. Due to these unique advantages of microspheres, our approach can provide an efficient way to image and isolate closely spaced defects with higher resolution and sensitivity.
본 실시예에 의한 유전체 미소 구체(microsphere)는 종래의 제조 기반 광자 구조 및 초고해상도 기술에 비해 특유한 장점을 제공한다. 우선, 미소 구체는 재료와 크기에서 선택 범위가 넓은 기성 광학 요소로, 단순 분산(dispersion)을 통해 이러한 요소를 결함과 결합(couple)시킬 수 있다. 나아가, 결합된 광학 트위저은 미소구체의 위치 제어와 결함과의 결합 및 결함의 광시야 스캐닝을 위해 미소 구체를 포획하고 이동할 수 있다. 또한, 회절 한계 미만(sub-diffraction-limited) 조명과 소멸파의 원거리 전파에 의해 회절 한계를 넘어 초해상도 이미징이 가능하다는 것이다. The dielectric microspheres of the present invention offer unique advantages over conventional fabrication-based photonic structures and super-resolution techniques. First, the microspheres are off-the-shelf optical elements with a wide range of material and size choices, and can be coupled to defects via simple dispersion. Furthermore, coupled optical tweezers can capture and move the microspheres for position control of the microspheres, coupling to defects, and wide-field scanning of the defects. In addition, super-resolution imaging beyond the diffraction limit is possible by sub-diffraction-limited illumination and long-distance propagation of evanescent waves.
미소 구체는 실제 샘플 표면에서 멀리 떨어진 가상 또는 실제 이미지를 형성한다. 공간적으로 변화된 이미지는 샘플 표면 근처에 존재하는 광학 배경 노이즈에서 결함 신호를 분리한다. 고해상도, 고대비 광학 이미징의 이러한 기능을 통해 기존 공초점 현미경에서 공간적으로 분리되지 않은 단일 광자와 단일 스핀을 광학적으로 분리할 수 있다. 따라서 제조가 필요 없는 단순성과 함께 미소 구체는 고체 상태 단일 광자 방출기를 위한 재배치 가능한 효율적인 광학 인터페이스를 제공한다.Microspheres form virtual or real images far from the actual sample surface. The spatially varied images separate the defect signal from the optical background noise present near the sample surface. This capability of high-resolution, high-contrast optical imaging allows optical separation of single photons and single spins, which are not spatially separated in conventional confocal microscopy. Thus, along with the simplicity of fabrication, microspheres provide a relocatable and efficient optical interface for solid-state single photon emitters.
도 1(a)는 본 실시예에 의한 이미징 장치(10)가 광원(300)이 제공하는 광을 이용하여 결함을 이미징하는 것을 개요적으로 도시한 도면이고, 도 1(b)는 본 실시예에 의한 이미징 장치(10)가 광학 트위저(400)에서 제공된 레이저 광을 이용하여 미소 구체(100)을 결함 상에 배치하는 것을 개요적으로 도시한 도면이다.
도 2는 샘플 표면 아래에 허상(virtual image)가 있는 미소구체 보조 이미징 장치의 개요도이다.
도 3은 미소구체가 있는 결함의 수직으로 스캔된 공초점 이미지로, 점선은 미소구체(Microsphere), 샘플 표면(Sample Surface) 및 허상(Virtual Image) 평면을 나타낸다.
도 4(a)는 z = 0 μm(샘플 표면) 및 도 4(b)는 z = - 12 μm(허상 평면)의 서로 다른 수직 평면에서 미소구체가 있는 x-y 스캔된 공초점 이미지를 도시하며. 색상 막대는 초당 kcount 단위의 광발광(PL) 강도를 나타낸다.
도 4(c)는 이미지를 확대하고 소멸장을 결합하는 미소구체의 광학 현상을 도식적으로 표현한 도면이고, 도 4(d)는 샘플의 20μm 크기 미소구체를 향한 입사 평면파의 수치 시뮬레이션을 나타낸 도면이다. 강도 ||2의 대수 색상 맵은 미소구체 바닥에 입사파를 밀접하게 집중시키는 광자 나노제트 효과를 도시한다.
도 5(a)는 종래 기술, 도 5 (b)는 미소구 보조 현미경의 공초점 형광 이미지를 도시한 도면으로, 2개의 이미지가 = 0(미소구체 제외) 및 = -12 μm(미소구체 포함)에서 동일한 x-y 스캔 범위에서 측면 스캔된 결과를 도시한 도면이다. 도 5(b)에서 확대된 이미지는 (a)에서 주황색 점선 상자로 표시된 영역에 해당한. 도 5(c)는 마이크로스피어 보조 현미경의 다른 가상 이미지 평면에서 측정된 배율 계수를 나타낸 도면으로, 실선은 계산된 배율 (z)를 나타낸다. 도 5(d)는 미소구체가 있는 경우(빨간색)와 없는 경우(검은색) 신호 대 잡음비의 비교한 도면으로, 도 5 (a,b)의 노란색 원은 도 5(d)의 비교에 사용된 단일 결함을 나타낸다.
도 6(a)는 종래 기술 도 6(b)는 본 실시예에 따라 미소구체 보조 현미경에서 결함의 (a,b) 공초점 이미지를 나타낸 도면이다. 도 6(b)에서 z = -13 μm의 가상 이미지는 도 6(a)의 기존 공초점 이미지와 비교하기 위해 배율로 다시 조정된다. 도 6(a)에서 S, D 및 T로 표시된 결함은 단일 및 공간적으로 분리되지 않은 이중 및 삼중 결함을 나타낸다. 이러한 결함은 도 6(b)에서 명확하게 구별되고 (D1-2) 및 (T1-3)으로 표시된다. 도 6(c)는 z = -13um(빨간색 점) 및 z = -17μm(파란색 점)의 서로 다른 z 위치에서 기존 공초점 현미경(검은색 점) 및 미소구체 보조 현미경에서 얻은 결함 S의 단면 강도 프로파일을 도시하며, 실선은 가우스 함수에 따라 피팅된 선이다. 도 6(d)는 가상 이미지의 z 위치에 따른 단일 결함 S의 공간 해상도 및 정규화 강도를 나타낸 도면으로, 녹색 점선 수평선은 기존 현미경의 회절 한계를 나타낸다. 도 6(e, f)는 각각 도 6(a)의 두 인접 결함 D 및 도 6(b)의 D1-2의 강도 프로파일을 나타낸 도면이다. 도 6(e) 및 도 6(f)의 데이터는 각각 단일 및 2개로 분리된 가우스 함수로 피팅되었다. 도 6(g)는 병합된 결함 D의 최대 피크를 나타내고 도 6(h)는 분리된 결함 D1 및 D2의 각 피크에서 측정된 2차 광자 상관 곡선을 나타낸다. 빨간색 선은 g(2)(τ) 곡선으로 피팅되었다.
도 7(a) 및 도 7(b)는 미소구체가 없을 때의 단일 결함 및 미소구체가 있을 때 단일 결함의 광학적으로 검출된 자기공명(Optically detected magnetic resonance) 스펙트럼을 나타낸 도면이다. 도 6(c)는 기존 공초점 현미경에서 공간적으로 분리되지 않은 두 개의 결함과 미소구 보조 현미경에서 공간적으로 분리된 결함을 나타내고, (d) 1 및 (e) 2에 대한 약 50G의 자기장을 갖는 ODMR 스펙트럼을 나타낸다. 삽입 이미지는 기존 및 마이크로스피어 보조 현미경에서 동일한 결함의 공초점 매핑 이미지를 나타내고, 공초점 맵의 축척 막대는 200nm를 나타낸다.FIG. 1(a) is a schematic drawing showing an imaging device (10) according to the present embodiment imaging a defect using light provided by a light source (300), and FIG. 1(b) is a schematic drawing showing an imaging device (10) according to the present embodiment placing a microsphere (100) on a defect using laser light provided from an optical tweezers (400).
Figure 2 is a schematic diagram of a microsphere-assisted imaging device having a virtual image beneath the sample surface.
Figure 3 is a confocal image scanned vertically of a defect with microspheres, with dotted lines indicating the microsphere, sample surface, and virtual image planes.
Figure 4(a) shows xy-scanned confocal images of microspheres in different perpendicular planes: z = 0 μm (sample surface) and Figure 4(b) at z = - 12 μm (virtual plane). The color bar represents photoluminescence (PL) intensity in kcounts per second.
Figure 4(c) is a schematic representation of the optical phenomenon of the microspheres that magnifies the image and couples the evanescent field, and Figure 4(d) is a numerical simulation of the incident plane wave toward the 20 μm-sized microspheres of the sample. The logarithmic color map of intensity || 2 illustrates the photonic nanojet effect that tightly focuses the incident wave on the bottom of the microsphere.
FIG. 5(a) is a drawing showing a confocal fluorescence image of a conventional microsphere-assisted microscope, FIG. 5(b) is a drawing showing the results of lateral scanning in the same xy scan range at = 0 (excluding microspheres) and = -12 μm (including microspheres). The enlarged image in FIG. 5(b) corresponds to the area indicated by the orange dotted box in (a). FIG. 5(c) is a drawing showing the magnification factor measured at another virtual image plane of the microsphere-assisted microscope, where the solid line represents the calculated magnification (z). FIG. 5(d) is a drawing comparing the signal-to-noise ratio with (red) and without (black) microspheres, where the yellow circles in FIG. 5(a,b) indicate single defects used for the comparison in FIG. 5(d).
Fig. 6(a) is a diagram showing a conventional confocal image (a,b) of a defect in a microsphere-assisted microscope according to the present embodiment. The virtual image at z = -13 μm in Fig. 6(b) is rescaled in magnification for comparison with the conventional confocal image of Fig. 6(a). The defects indicated by S, D and T in Fig. 6(a) represent single and spatially non-separated double and triple defects. These defects are clearly distinguished in Fig. 6(b) and are indicated as (D1-2) and (T1-3). Fig. 6(c) shows cross-sectional intensity profiles of the defect S obtained by the conventional confocal microscope (black dots) and the microsphere-assisted microscope at different z positions of z = -13 μm (red dots) and z = -17 μm (blue dots), and the solid line is a line fitted by a Gaussian function. Figure 6(d) is a plot showing the spatial resolution and normalized intensity of a single defect S according to the z-position of the virtual image, where the green dashed horizontal line represents the diffraction limit of the conventional microscope. Figures 6(e, f) are plots showing the intensity profiles of two adjacent defects D in Figure 6(a) and D1-2 in Figure 6(b), respectively. The data in Figures 6(e) and 6(f) were fitted with a single and two-part Gaussian function, respectively. Figure 6(g) shows the maximum peak of the merged defect D, and Figure 6(h) shows the second-order photon correlation curves measured at each peak of the separated defects D1 and D2. The red line is fitted with the g (2) (τ) curve.
Figures 7(a) and 7(b) are diagrams showing the optically detected magnetic resonance spectra of a single defect without and with microspheres, respectively. Figure 6(c) shows two defects that are not spatially separated in the conventional confocal microscope and a defect that is spatially separated in the microsphere-assisted microscope, and shows the ODMR spectra with a magnetic field of about 50 G for (d) 1 and (e) 2. The inset images show confocal mapping images of the same defect in the conventional and microsphere-assisted microscopes, and the scale bar in the confocal maps represents 200 nm.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 실시예에 의한 이미징 장치(10)를 설명한다. 도 1(a)는 본 실시예에 의한 이미징 장치(10)가 광원(300)이 제공하는 광을 이용하여 타겟을 이미징하는 것을 개요적으로 도시한 도면이고, 도 1(b)는 본 실시예에 의한 이미징 장치(10)가 광학 트위저(400)에서 제공된 레이저 광을 이용하여 미소 구체(100)을 타겟 상에 배치하는 것을 개요적으로 도시한 도면이다. 도 1(a)를 참조하면, 광원(300)이 제공한 광은 빔 스플리터(beam splitter, BS)를 거쳐 광학계(200)에 제공된다. 일 실시예로, 광원(300)은 532nm 대역의 연속파(continuous wave) 레이저광을 제공할 수 있다. 또한, 광학계(200)는 공초점 현미경일 수 있다. Hereinafter, an imaging device (10) according to the present embodiment will be described with reference to the attached drawings. FIG. 1(a) is a drawing schematically illustrating an imaging device (10) according to the present embodiment that images a target using light provided by a light source (300), and FIG. 1(b) is a drawing schematically illustrating an imaging device (10) according to the present embodiment that places microspheres (100) on a target using laser light provided by an optical tweezers (400). Referring to FIG. 1(a), light provided by a light source (300) is provided to an optical system (200) through a beam splitter (BS). In one embodiment, the light source (300) may provide continuous wave laser light of a 532 nm band. In addition, the optical system (200) may be a confocal microscope.
예시된 실시예에서, 이미징되는 타겟은 고체 큐빗(solid-state cubit)이다. 일 실시예로, 고체 큐빗은 고체 큐빗은 양자점, 이차원 물질 및 고체 점결함 등일 수 있으며, 고체 점결함은 SiC 점결함, HBN 및 다이아몬드 내에 위치한 점결함 중 어느 하나일 수 있다. In an illustrated embodiment, the target being imaged is a solid-state cubit. In one embodiment, the solid qubit can be a quantum dot, a two-dimensional material, a solid point defect, etc., and the solid point defect can be any one of a SiC point defect, a HBN point defect, and a point defect located in diamond.
또한, 일 예로, 점 결함은 결함의 단일 광자와 단일 스핀의 독립적인 접근이 가능한 다이아몬드 내에 위치한 질소 공극 결함, 실리콘 공극 결함, 실리콘 카바이드(SiC) 점 결함일 수 있으나, 이하에서는 용이하고 간결한 설명을 위하여 타겟이 다이아몬드 내의 질소 공극 결함인 것으로 설명한다. 다만, 이는 본 실시예의 설명을 용이하게 하기 위한 것이며, 본 발명의 범위를 제한하고자 하는 것이 아니다. In addition, as an example, the point defect may be a nitrogen vacancy defect, a silicon vacancy defect, or a silicon carbide (SiC) point defect located in diamond, which allows independent access of a single photon and a single spin of the defect, but for the sake of easy and concise explanation, the target is described below as a nitrogen vacancy defect in diamond. However, this is only to facilitate the explanation of the present embodiment and is not intended to limit the scope of the present invention.
광학계(200)를 통하여 제공된 광은 샘플(sample)의 결함 상에 배치된 미소 구체(100)에 제공될 수 있다. 광은 미소구체(100)를 통하여 샘플(sample)의 결함에 제공되며, 결함은 광원(300)이 제공한 광에 비하여 더 큰 파장을 가지는 광을 형성하여 제공한다. 광학계(200)는 결함이 형성한 광을 집광하고, 이로부터 샘플 아래에 형성된 허상(virtual image)을 획득하여 광 커플러(Fiber coupler)에 제공한다. Light provided through the optical system (200) can be provided to microspheres (100) placed on a defect of a sample. The light is provided to the defect of the sample through the microspheres (100), and the defect forms and provides light having a larger wavelength than the light provided by the light source (300). The optical system (200) collects the light formed by the defect, obtains a virtual image formed under the sample therefrom, and provides the obtained image to a fiber coupler.
후술할 바와 같이 샘플(sample) 및 미소 구체(100)는 침지 오일에 침지될 수 있으며, 이미징 장치(10)는 샘플(sample) 및 미소 구체(100)가 침지된 상태에서 이미징을 수행할 수 있다. As described later, the sample and microspheres (100) can be immersed in immersion oil, and the imaging device (10) can perform imaging while the sample and microspheres (100) are immersed.
수광부는 어밸런치 포토 다이오드(APD)를 통하여 허상에 상응하는 광을 수광하고, 상응하는 전기적 신호를 형성하여 FPGA, PC 등의 신호 처리 장치에 제공한다. The light receiving unit receives light corresponding to the virtual image through an avalanche photodiode (APD), forms a corresponding electrical signal, and provides it to a signal processing device such as an FPGA or PC.
일 실시예로, 이미징 장치(10)는 RF 생성기(RF Generator)를 더 포함할 수 있으며, RF 생성기는 다이아몬드 점결함 내 전자 스핀 상태와 공명하는 주파수의 마이크로파를 생성시켜 시료에 조사함으로써, 다이아몬드의 NV 점결함 내의 전자의 스핀 상태를 제어하는 역할을 수행한다. In one embodiment, the imaging device (10) may further include an RF generator, which generates microwaves having a frequency that resonates with the electron spin state in the diamond point defects and irradiates the microwaves onto the sample, thereby controlling the spin state of electrons in the NV point defects of the diamond.
도 1(b)는 광학 트위징을 수행하는 과정을 도시한 도면이다. 도 1(b)를 참조하면, 광학 트위저(400)는 레이저 광원을 포함하며, 광학 트위저(400)에서 제공된 광은 광 커플러(Fiber Coupler)와 광학계(200)를 통하여 미소구체(100)에 제공된다. Fig. 1(b) is a drawing illustrating a process of performing optical tweezing. Referring to Fig. 1(b), the optical tweezers (400) include a laser light source, and light provided from the optical tweezers (400) is provided to the microspheres (100) through a fiber coupler and an optical system (200).
미소구체(100)는 광학 트위저(400)가 제공한 광에 따라 샘플(sample)의 표면을 이동하며, 미소구체(100)가 샘플(sample)의 결함 상에 위치할 때 광학 트위저(400)는 레이저 제공을 중단한다. 이와 같이 미소구체(100)는 샘플(sample)의 결함 상에 배치된다. The microsphere (100) moves on the surface of the sample according to the light provided by the optical tweezers (400), and when the microsphere (100) is positioned on a defect of the sample, the optical tweezers (400) stop providing the laser. In this way, the microsphere (100) is placed on the defect of the sample.
본 실시예는 유전체 마이크로 광학의 하이브리드 통합에 기초한 결함에 대한 고해상도, 고대비 광학 인터페이스와 관련된다. N2 이온을 다이아몬드에 주입하여 1~2μm-2의 밀도로 표면으로부터 100nm 이내에 무작위로 분포된 NV(nitrogen-vacancy) 색상 중심을 생성하는 점 결함을 포함하는 다이아몬드 샘플(sample)을 준비하였다. 미소 구체 보조 공초점 형광 현미경 이미징을 위해 다이아몬드 샘플(sample)에 바륨타이타네이트(BaTiO3) 글래스 미소 구체(100)를 분산시켰다. BaTiO3 미소 구체(100)는 높은 굴절률(n~1.9-2.1)과 10~20um의 직경을 가진다. The present invention relates to a high-resolution, high-contrast optical interface for defects based on hybrid integration of dielectric micro-optics. A diamond sample containing point defects that generate nitrogen-vacancy (NV) color centers randomly distributed within 100 nm from the surface with a density of 1–2 μm -2 by implanting N 2 ions into the diamond was prepared. Barium titanate (BaTiO 3 ) glass microspheres (100) were dispersed on the diamond sample for microsphere-assisted confocal fluorescence microscopy imaging. The BaTiO 3 microspheres (100) have a high refractive index (n ~ 1.9-2.1) and a diameter of 10–20 μm.
높은 굴절률을 가지는 구체(100)는 소다석회 유리(soda-lime lass, n~1.51), 폴리스티렌(n~1.59)과 같은 낮은 굴절률 미소 구체보다 다이아몬드(n~2.42)의 결함 이미징에 더 유리하다. Spheres (100) with high refractive index are more advantageous for defect imaging in diamond (n~2.42) than low refractive index microspheres such as soda-lime glass (n~1.51) and polystyrene (n~1.59).
일 실시예로, 미소구체의 굴절율은 미소구체 외부 환경의 굴절율을 고려하여 선택한다. 본 실시예와 같이 굴절율이 큰 바륨타이타네이트(BaTiO3) 글래스 미소 구체(100)를 이용했을 때에는 침지오일을 사용할 수 있다. 일 예로, 본 실시예에서, 미소 구체의 굴절율은 침지 오일의 관계에서 미소구체의 굴절율/외부 환경의 굴절율은 대략 1.3~1.7의 값을 가지도록 설정된다. 다른 예로, 용융 실리카(fused silica) 혹은 라임 유리(lime glass)를 이용하면 침지 오일 없이도 확대된 허상 이미징을 할 수 있다. In one embodiment, the refractive index of the microspheres is selected by considering the refractive index of the external environment of the microspheres. When barium titanate (BaTiO 3 ) glass microspheres (100) having a high refractive index, as in the present embodiment, are used, immersion oil can be used. For example, in the present embodiment, the refractive index of the microspheres is set so that the refractive index of the microspheres/refractive index of the external environment in relation to the immersion oil has a value of approximately 1.3 to 1.7. As another example, by using fused silica or lime glass, enlarged virtual image imaging can be performed without immersion oil.
미소 구체(100)와 다이아몬드 샘플(sample)은 계면에서 내부 전반사를 최소화할 수 있다. 미소 구체(100)와 환경 사이의 굴절률 대비는 미소 구체를 통한 빛의 전파를 결정하기 때문에 이미지에서 중요한 역할을 한다. 환경과의 작은(큰) 굴절률 대비가 샘플 아래(위)의 허상(실상)을 형성한다. 고굴절률 미소 구체의 이점을 유지하면서 환경과의 굴절율 대비를 줄이기 위해 미소 구체(100)를 침지 오일(n=1.518)에 침지시켰다. 이로부터 초고해상도 이미징 기능을 허상 평면에 가져올 수 있다. 나아가 미소 구체와 침지 오일 사이의 작은 굴절률 대비는 계면에서 산란력(scattering force)을 감소시키고 광학 트위저을 이용하여 고굴절율 미소 구체를 포획 가능하게 한다. The microspheres (100) and the diamond sample can minimize total internal reflection at the interface. The refractive index contrast between the microspheres (100) and the environment plays an important role in the image because it determines the propagation of light through the microspheres. A small (large) refractive index contrast with the environment forms a virtual image (real image) below (above) the sample. In order to reduce the refractive index contrast with the environment while maintaining the advantage of the high refractive index microspheres, the microspheres (100) were immersed in immersion oil (n=1.518). From this, the super-resolution imaging function can be brought to the virtual image plane. Furthermore, the small refractive index contrast between the microspheres and the immersion oil reduces the scattering force at the interface and enables the capture of the high refractive index microspheres using optical tweezers.
형광 이미징을 위해 실온에서 공초점 현미경 설정을 사용하였다. 532 nm 연속파 레이저(CW laser)로 샘플을 여기시키고 오일 침지 대물 렌즈(NA=1.4)로 샘플에서 형광을 수집하였다. 이색성 거울(dichroic mirror)을 사용하여 수집된 형광 신호에서 여기 레이저를 대역별로 필터링하고, 50μm 핀 홀(pinhole)과 2개의 렌즈를 사용하여 형광 신호를 공간적으로 필터링한 다음 광섬유 결합 실리콘 단일 광자 어밸런치 포토다이오드(Excelitas, SPCM-AQRH)를 이용하였다.A confocal microscope setup at room temperature was used for fluorescence imaging. The sample was excited with a 532 nm continuous wave (CW) laser and the fluorescence was collected from the sample with an oil immersion objective (NA=1.4). The excitation laser was band-filtered from the collected fluorescence signal using a dichroic mirror, and the fluorescence signal was spatially filtered using a 50 μm pinhole and two lenses, followed by a fiber-coupled silicon single-photon avalanche photodiode (Excelitas, SPCM-AQRH).
도 2는 다이아몬드의 결함을 이미징하기 위한 미소 구체 보조 현미경을 도시한 도면이다. 액체(n~1.518)에 고굴절률 미소 구체를 침지하면 샘플 표면 아래에 결함의 허상(Virtual Image)이 형성된다. 샘플(sample)을 수직으로 스캔하여 미소 구체(100) 렌즈가 있는 상태와 없는 상태에서의 이미지 평면을 결정한다. Figure 2 is a schematic diagram of a microsphere-assisted microscope for imaging defects in diamond. When high-refractive index microspheres are immersed in a liquid (n~1.518), a virtual image of the defect is formed beneath the sample surface. The sample is scanned vertically to determine the image plane with and without the microsphere (100) lens.
도 3으로 도시된 미소 구체(100) 외부의 공초점 맵(confocal map)은 다이아몬드 표면 z = 0 근처 결함으로 부터의 형광을 표시하는 반면, 미소 구체 아래의 결함은 z = -12 μm 근처의 아래쪽 평면에서 허상을 형성한다. A confocal map outside the microsphere (100) illustrated in FIG. 3 shows fluorescence from defects near z = 0 on the diamond surface, while defects beneath the microsphere form artifacts in the lower plane near z = -12 μm.
도 4(a) 및 도 4(b)는 z = 0 및 z = -12 μm의 두 가지 다른 이미지 평면에서 x-y 측면 맵을 나타낸다. 도 4(b)의 허상(Virtual Image)은 미소 구체 외부의 샘플 표면(sample surface)에서보다 향상된 대비(contrast)와 해상도로 결함을 눈에 띄게 보여준다.Figures 4(a) and 4(b) show x-y lateral maps at two different image planes, z = 0 and z = -12 μm. The virtual image in Figure 4(b) prominently shows the defects with improved contrast and resolution at the sample surface outside the microspheres.
이미지 품질의 향상은 미소 구체의 광학 현상과 관련된다. 도 4(c)에 설명된 것처럼 미소 구체(100)는 구면 렌즈로서 확대된 허상(virtual image)을 생성한다. 배율은 구의 크기, 광학 지수 대비 및 미소 구체에서 결함까지의 거리에 따라 달라진다. 나아가, 미소 구체는 기존의 공초점 현미경에서 회절 한계를 넘어 공간 분해능을 향상시킨다. The improvement in image quality is related to the optical phenomenon of the microspheres. As illustrated in Fig. 4(c), the microspheres (100) act as spherical lenses to create a magnified virtual image. The magnification depends on the size of the sphere, the optical index contrast, and the distance from the microspheres to the defect. Furthermore, the microspheres enhance the spatial resolution beyond the diffraction limit in conventional confocal microscopes.
도 4(c)에 설명된 바와 같이 미소 구체(100)는 고주파 소산파(evanescent waves)를 미소 구체와 표면 사이의 간격(λ/2) 내에서 원거리장 방출(far-field emission)에 결합한다. 이 근거리장 방출(near-field emission)은 구 크기의 1/4 정도의 접촉 영역 근처에서 발생하는 광 추출 및 공간 분해능을 모두 향상시킨다. As illustrated in Fig. 4(c), the microspheres (100) couple high-frequency evanescent waves to far-field emission within the gap (λ/2) between the microspheres and the surface. This near-field emission enhances both light extraction and spatial resolution, which occurs near a contact area that is approximately 1/4 the size of the sphere.
도 4(d)는 직경이 20μm인 미소 구체 단면의 ||2 프로파일의 유한차분(finite-difference) 시간 영역 시뮬레이션 결과를 도시한다. 도 4(d)는 소위 광자 나노젯(photonic-nanojet)이라고 하는 회절 한계 미만(sub-diffraction-limited) 조명을 도시한다. 유전체 미소 구체(100)는 회절파 사이에 보강 간섭을 일으킨다. 시뮬레이션에서 미소 구체는 532nm의 조명 파장에 대해 232nm의 빔 허리를 가진 국부적인 지점에 입사파를 집중하였다. Figure 4(d) shows the results of a finite-difference time-domain simulation of a || 2 profile of a microsphere cross-section with a diameter of 20 μm. Figure 4(d) shows a sub-diffraction-limited illumination, so-called photonic nanojet. The dielectric microspheres (100) cause constructive interference between the diffracted waves. In the simulation, the microspheres focused the incident wave to a local point with a beam waist of 232 nm for an illumination wavelength of 532 nm.
정량적 분석을 위해 미소 구체가 있거나 없는 동일한 결함의 이미지를 직접 비교한다. 이 비교는 후술할 바와 같이 미소 구체를 재배치할 수 있기 때문에 가능하다. 도 5(a) 및 도 5(b)는 각각 미소 구체(100)가 없는 경우와 있는 경우의 측면 공초점 맵(lateral confocal map)이다. 동일한 스테이지 스캔 범위에서 미소 구체(100)는 거의 두 배에 달하는 확대된 허상를 보여준다. 미소 구체가 없는 확대되지 않은 공초점 이미지로부터 허상의 배율(M)을 결정한다. For quantitative analysis, images of the same defect with and without microspheres are directly compared. This comparison is possible because the microspheres can be repositioned as described below. Figures 5(a) and 5(b) are lateral confocal maps without and with microspheres (100), respectively. At the same stage scan range, the microspheres (100) show an artifact that is magnified by almost a factor of two. The magnification (M) of the artifacts is determined from the unmagnified confocal image without the microspheres.
도 5(c)는 깊이에 따라 실험적으로 측정된 배율(M)을 도시한다. = -9 ~ -15 μm 범위에서 배율이 1.9에서 2.5로 증가하였다. 구면 렌즈 시스템의 배율은 기하학적 광학을 사용하여 근사화될 수 있다. 구면 수차를 고려하여 미소 구체는 아래의 수학식 1로 표시되는 초점 거리 f(x)를 가진다. Figure 5(c) shows the experimentally measured magnification (M) as a function of depth. The magnification increases from 1.9 to 2.5 in the range = -9 to -15 μm. The magnification of a spherical lens system can be approximated using geometrical optics. Taking spherical aberration into account, the microsphere has a focal length f(x) which is given by the following mathematical expression 1.
[수학식 1][Mathematical formula 1]
(x: 광축으로부터의 가로 거리, R은 미소 구체의 반경, =1.38은 미소 구체와 오일 사이의 굴절률 비)(x: transverse distance from the optical axis, R is the radius of the microsphere, =1.38 is the refractive index ratio between microspheres and oil)
미소 구체(100)는 샘플 표면에서 거리()에서 허상을 형성한다. 배율은 으로 결정되며, 여기서 δ는 샘플 표면의 결함 깊이이다. 위의 식에 따라 R = 10μm, δ = 100 nm, x = 1 μm 일 때 dv = -13um 에서 M = 2.28로 허상 평면을 계산할 수 있다. 관찰된 가상 평면에 기초하여 배율은 와 같이 표시될 수 있다. 이와 같이 이론적으로 연산된 결과는 도 5(c)에서 도시된 실험적으로 관찰된 결과와 부합한다. The microspheres (100) are placed at a distance ( ) to form an illusion. The magnification is , where δ is the defect depth on the sample surface. According to the above equation, when R = 10 μm, δ = 100 nm, and x = 1 μm, the virtual plane can be calculated as M = 2.28 at d v = -13 μm. Based on the observed virtual plane, the magnification is can be expressed as follows. The theoretically calculated result is consistent with the experimentally observed result shown in Fig. 5(c).
밝기 측면에서 고굴절률 구체는 다이아몬드 표면 근처의 소산파(evanescent waves)를 자유 공간(free space)과 결합한다. 수치 시뮬레이션에서 미소 구체(100) 아래 다이폴(dipole)의 추출 효율이 2배 향상된 것으로 계산되었다. 도시되지 않은 실험예에서 미소 구체가 있는 경우와, 없는 경우에서 동일한 결함의 포화 강도를 비교하여 최대 40%의 밝기 향상을 관찰할 수 있었다. In terms of brightness, the high-index spheres couple evanescent waves near the diamond surface to free space. Numerical simulations have calculated that the extraction efficiency of the dipole under the microspheres (100) is improved by a factor of two. In unillustrated experimental examples, a brightness enhancement of up to 40% was observed by comparing the saturation intensity of the same defect with and without the microspheres.
시뮬레이션과 관찰 사이의 불일치는 최대 밝기에 대한 미소 구체의 좁은 공간 윈도우로 인한 것으로 파악된다. 시뮬레이션은 최대 향상이 구 바로 아래에서 약 1μm 내에서 발생하는 것을 보여준다(지원 정보의 그림 S2 참조). 이 윈도우는 미소 구체의 크기를 증가시켜 더 넓힐 수 있다.The discrepancy between simulations and observations is attributed to the narrow spatial window of the microspheres for maximum brightness. Simulations show that maximum enhancement occurs within about 1 μm directly beneath the sphere (see Figure S2 in the Supporting Information). This window can be widened further by increasing the size of the microspheres.
밝기의 향상은 중간 정도이지만, 미소 구체는 샘플 표면에서와 비교하여 허상에서 배경 형광이 실질적으로 감소하여 신호 대 잡음비의 큰 증가를 가능하게 한다. 단일 광자에서 신호를 제어해야 하므로 높은 신호 대 잡음비를 달성하는 것은 반도체 큐빗 시스템에서 중요하다. 그러나 1mW 근처의 높은 광학 여기 전력을 사용하면 일반적으로 산란된 광자로부터 원치 않는 배경 형광을 생성하고 침지 오일, 호스팅 결정 및 인근 결함과 같은 환경에서 자가형광을 생성한다. 도 3에서 관찰할 수 있는 바와 같이 배경 형광은 샘플 표면 근처의 영역에 비해 허상이 있는 다이아몬드 내부가 상대적으로 더 어둡다. 따라서 샘플 표면에서 이격된 허상의 공간 분리는 광학 배경 노이즈를 방지하는 데 유용하다. 도 4(a)는 동일한 단일 결함(도 5(a) 및 도 5(b)의 노란색 원)에서 미소 구체가 있는 경우 및 없는 경우의 신호 대 잡음비를 비교한다. 결과는 허상에 대해 평균 4배 정도 신호 대 잡음비가 크게 향상되었음을 보여준다.Although the enhancement in brightness is modest, the microspheres enable a significant increase in the signal-to-noise ratio by substantially reducing the background fluorescence in the artifacts compared to the sample surface. Achieving a high signal-to-noise ratio is important in semiconductor qubit systems, as the signal must be controlled from a single photon. However, using high optical excitation powers in the vicinity of 1 mW typically generates unwanted background fluorescence from scattered photons and autofluorescence from environments such as immersion oil, hosting crystals, and nearby defects. As can be observed in Fig. 3, the background fluorescence is relatively darker inside the diamond where the artifacts are present compared to the region near the sample surface. Therefore, spatial separation of the artifacts away from the sample surface is useful for avoiding optical background noise. Fig. 4(a) compares the signal-to-noise ratio with and without the microspheres in the same single defect (yellow circles in Figs. 5(a) and 5(b)). The results show a significant improvement in the signal-to-noise ratio by an average of four times for the artifacts.
단일 원자 결함의 형광은 이미지의 공간 분해능을 측정하기 위한 완벽한 점확산 기능(point-spread function)으로 작용할 수 있다. 미소 구체를 이용하는 현미경의 공간 해상도를 결정하기 위해 도 3c에서 측정된 M을 사용하여 허상의 스케일을 보정한다. 도 4a 및 도 4b에서 기존 현미경에서 공간적으로 분해되지 않는 결함 그룹 D 및 T는 미소 구체 보조 현미경에서 각각 D1, D2 및 T1, T3로 분리된 결함으로 잘 분해된다. 이러한 결과는 미소 구체 보조 현미경에서 향상된 분해능을 명확하게 보여준다. The fluorescence of single-atom defects can serve as a perfect point-spread function to measure the spatial resolution of the image. The scale of the virtual image is compensated by using M measured in Fig. 3c to determine the spatial resolution of the microscope using microspheres. In Fig. 4a and Fig. 4b, the defect groups D and T, which are not spatially resolved in the conventional microscope, are well resolved into isolated defects D1, D2 and T1, T3 in the microsphere-assisted microscope, respectively. These results clearly demonstrate the improved resolution in the microsphere-assisted microscope.
point-spread 함수의 FWHM(full width at half maximum)을 비교하기 위해 도 6(a) 및 도 6(b)에서 S로 표시된 단일 결함을 선택하고 도 6(c)로 단면 강도 곡선을 도시하였다. 기존의 현미경에서 피팅된 가우스 함수(Gaussian function)의 FWHM은 약 280nm이다. N2 베이컨시 중심의 넓은 스펙트럼(600 ~ 800 nm)에 대한 700 nm의 중심 파장을 고려하면 값은 ~λ/2.5의 공간 분해능에 상응하며 Abbe 회절 한계 /(2*NA)에 가깝다. 여기서 NA 오일 침지 렌즈의 경우 1.4이다. To compare the full width at half maximum (FWHM) of the point-spread function, a single defect marked as S in Fig. 6(a) and Fig. 6(b) is selected, and the cross-sectional intensity curve is plotted in Fig. 6(c). The FWHM of the fitted Gaussian function in the conventional microscope is about 280 nm. Considering the central wavelength of 700 nm for the broad spectrum (600–800 nm) of the N 2 vacancy center, the value corresponds to a spatial resolution of ~λ/2.5, which is close to the Abbe diffraction limit /(2*NA), which is 1.4 for an NA oil immersion lens.
미소 구체를 사용하는 현미경의 경우 z = -13 및 z = -17 μm에서 두 개의 서로 다른 허상 평면에서 point-spread 함수를 측정하고 각각 188 nm(λ/3.7) 및 142 nm(λ/5)의 FWHM을 달성하였다. 따라서, 미소 구체를 사용하는 현미경은 기존의 현미경에서 회절 한계를 넘는 공간 분해능을 제공한다. For the microscope using microspheres, the point-spread functions were measured at two different virtual planes at z = -13 and z = -17 μm, and the FWHM of 188 nm (λ/3.7) and 142 nm (λ/5) were achieved, respectively. Thus, the microscope using microspheres provides a spatial resolution beyond the diffraction limit in conventional microscopes.
도 6(d)는 표면에서의 이미징 깊이에 따른 공간 해상도와 강도를 도시한다. 미소 구체는 z = -12 ~ -13 μm 부근에서 가장 강도가 높은 허상를 형성한다. 이미지 평면이 더 아래로 내려갈수록 더 높은 해상도를 얻을 수 있지만 강도가 감소한다. z = -17 μm에서 λ/5 부근의 분해능을 달성하지만 최대 강도에 비해 강도가 20%로 감소한다. 또한 z = - 17 μm에서 강도 프로파일은 도 6(c)로 도시된 것과 같이 두 개의 어깨 피크를 나타낸다. 이 피크들은 에어리 원반 패턴에서 비롯되며 초점면 dv = =13μm를 통과할 때 더 강해진다.Figure 6(d) shows the spatial resolution and intensity as a function of imaging depth from the surface. The microspheres form virtual images with the highest intensity around z = -12 to -13 μm. As the imaging plane goes further down, higher resolution is achieved but the intensity decreases. At z = -17 μm, a resolution of around λ/5 is achieved, but the intensity decreases to 20% of the maximum intensity. In addition, the intensity profile at z = -17 μm shows two shoulder peaks as shown in Figure 6(c). These peaks originate from the Airy disk pattern and become stronger as they pass through the focal plane dv = =13 μm.
향상된 분해능과 향상된 광학 신호 대비를 통해 기존의 현미경으로 분해되지 않는 근접한 결함을 검사한다. 도 6(e) 및 도 6(f)에서 기존의 현미경 검사법은 결합된 단일 피크로 결함 그룹 D의 강도 프로파일을 보여주는 반면, 미소 구체 보조 현미경 검사법은 도 6(b)의 결함 D1 및 D2에 대해 두 개의 분리된 피크를 보여준다. The improved resolution and enhanced optical signal contrast allow for the examination of close-by defects that are not resolved by conventional microscopy. In Figures 6(e) and 6(f), conventional microscopy shows the intensity profile of defect group D as a combined single peak, whereas microsphere-assisted microscopy shows two separate peaks for defects D1 and D2 in Figure 6(b).
각 단일 양자 광원은 이상적으로 g(2)(0) = 0인 안티번칭 딥(antibunching dip)로 정량화되는 단일 광자 소스로 거동한다. 여러 결함이 공간적으로 겹칠(overlap) 때 값은 로 증가한다. 여기서 N은 양자 광원의 수이다. 단일 광자 순도를 조사하기 위해 Hanbury Brown 및 Twiss 측정을 사용하여 2차 광자-광자 간 상관관계 g(2)(τ)를 측정하고 다음 방정식 를 사용하여 데이터를 피팅하였다. 여기서 τc는 바닥과 여기 상태 사이의 전환과 관련된 시간 상수이다. 단일 결함(S)의 경우 기존 현미경과 미소구 보조 현미경 모두 각각 0.12 ± 0.07 및 0.09 ± 0.06의 예상되었던 낮은 g(2)(0) 값을 보여준다.Each single quantum source ideally behaves as a single photon source, quantified by the antibunching dip, where g (2) (0) = 0. When multiple defects overlap spatially, the value where N is the number of quantum sources. To investigate the single-photon purity, the second-order photon-photon correlation g (2) (τ) is measured using the Hanbury Brown and Twiss measurements, and the following equation The data were fitted using , where τ c is the time constant associated with the transition between the ground and excited states. For the single defect (S), both the conventional and microsphere-assisted microscopy show the expected low g (2) (0) values of 0.12 ± 0.07 and 0.09 ± 0.06, respectively.
이어서 근접한 두 개의 결함에 대해 g(2)(τ)를 측정하였다. 결함 그룹 D의 경우 도 6(g)로 도시된 것과 같이 병합된 피크의 최대 강도에서 히스토그램을 기록하고 g(2)(0) = 0.3 ± 0.08을 얻을 수 있었다. 이러한 값은 단일 결함에 비하여 눈에 띄게 증가한 값이다. Next, g (2) (τ) was measured for two adjacent defects. For defect group D, a histogram was recorded at the maximum intensity of the merged peak as shown in Fig. 6(g), and g (2) (0) = 0.3 ± 0.08 was obtained. This value is a marked increase compared to that of a single defect.
반면, 도 6(h)로 도시된 것과 같이 공간적으로 분리된 단일 결함 D1 및 D2의 경우 허상의 각 단일 결함 D1 및 D2의 g(2)(0) 값은 각각 0.13±0.06 및 0.16±0.06로 낮게 유지된다. 이러한 높은 단일 광자 순도는 확대된 고해상도 이미징이 인접한 결함의 방출로부터 단일 광자를 광학적으로 분리할 수 있음을 나타낸다.In contrast, for the spatially separated single defects D1 and D2 as illustrated in Fig. 6(h), the g (2) (0) values of the virtual single defects D1 and D2 remain low, at 0.13±0.06 and 0.16±0.06, respectively. This high single-photon purity indicates that the magnified high-resolution imaging can optically separate single photons from the emissions of adjacent defects.
기존 현미경에서 공간적으로 중첩된 두 개의 결함에 대해 g(2)(0) 값이 여전히 0.5 미만이라는 점도 주목할 필요가 있다. 두 개의 독립적이고 동일한 양자 광원의 방출은 g(2)(0)~0.5를 가질 것으로 예상된다. 그러나 두 개의 결함이 있더라도 각 방출기의 밝기가 동일하지 않거나 측정이 두 개의 결함 사이에서 공간적으로 단측(one-sided)인 경우 0.5 미만의 g 값을 가질 수 있다. 게다가, 이러한 결함은 일시적으로 깜박이기 때문에 주어진 실험 조건에서 단일 및 두 개의 방출기가 혼합된 것처럼 동작한다. g(2)(0) < 0.5가 단일 결함의 기준으로 자주 사용되나, 실제적으로, g(2)(0) < 0.5 만으로는 단일 양자 광원이라는 것을 나타낼 수 없음을 시사한다. 따라서 고해상도 이미징 시스템을 사용하면 단일 결함을 식별하고 밀접하게 배치된 결함을 독립적으로 조작하는 데 더 유리할 것이다. It is also worth noting that the g (2) (0) value is still less than 0.5 for two spatially overlapped defects in conventional microscopes. The emission from two independent and identical quantum sources is expected to have g (2) (0)~0.5. However, even with two defects, the g value less than 0.5 can be obtained if the brightness of each emitter is not identical or if the measurement is spatially one-sided between the two defects. Moreover, such defects can blink transiently, so that they behave as if a single and two emitters are mixed under a given experimental condition. Although g (2) (0) < 0.5 is often used as a criterion for a single defect, our results suggest that in practice, g (2) (0) < 0.5 alone does not indicate a single quantum source. Therefore, the use of high-resolution imaging systems would be more advantageous in identifying single defects and in independently manipulating closely spaced defects.
이어서, 미소 구체 보조 현미경은 스핀 판독 대비도(spin read-out contrast)를 개선하고 인접한 결함의 단일 스핀을 독립적으로 접근할 수 있음을 보여준다. 다이아몬드의 N2 베이컨시 센터는 외부 자기장 없이 2.87GHz의 제로 필드 스플리팅(zero-field splitting)을 가지며, 이는 광학적으로 감지된 자기 공명(ODMR) 측정으로 감지할 수 있다. Subsequently, microsphere-assisted microscopy is shown to improve the spin read-out contrast and to allow independent access to single spins in adjacent defects. The N 2 vacancy center in diamond has a zero-field splitting of 2.87 GHz in the absence of an external magnetic field, which can be detected by optically detected magnetic resonance (ODMR) measurements.
도 7(a) 및 도 7(b)는 기존 현미경과 미소 구체 보조 현미경에서 동일한 단일 결함의 ODMR 스펙트럼을 보여준다. 미소 구체 아래의 단일 결함은 25 ± 0.9%의 ODMR 대비도를 나타내며 기존 현미경의 15 ± 1.1%의 값보다 높다. 이러한 증가는 허상의 향상된 신호 대 잡음비에 기인하는 것으로 파악된다.Figures 7(a) and 7(b) show the ODMR spectra of the same single defect under the conventional microscope and the microsphere-assisted microscope. The single defect under the microsphere exhibits an ODMR contrast of 25 ± 0.9%, which is higher than the value of 15 ± 1.1% under the conventional microscope. This increase is believed to be due to the improved signal-to-noise ratio of the artifact.
기존 광학 회절 한계에서 병합된 결함의 단일 스핀을 분리할 수 있음을 증명하기 위해 두 현미경 설정을 사용하여 두 개의 밀접하게 배치된 결함의 ODMR 스펙트럼을 조사한다. 기존 현미경에서는 두 개의 결함이 공간적으로 중첩되지만 도 7(c)의 삽입도로 도시된 바와 같이 S=1의 축퇴를 깨뜨리는 무작위 방향의 자기장(~50G)을 적용하여 두 개의 서로 다른 스핀이 존재함을 확인할 수 있다. To demonstrate that we can resolve single spins of merged defects at the conventional optical diffraction limit, we investigate the ODMR spectra of two closely spaced defects using two microscope setups. In the conventional microscope, the two defects are spatially overlapped, but by applying a randomly oriented magnetic field (~50 G) that breaks the degeneracy of S = 1, as shown in the inset of Fig. 7(c), we confirm the presence of two different spins.
다이아몬드의 NV 중심은 결정에서 4가지 가능한 스핀 구성을 갖기 때문에 2개의 결함은 인가된 자기장에 따라 다른 양의 Zeeman 분할을 가질 수 있다. 도 7(c)로 도시된 바와 같이 ODMR 스펙트럼에서 2개의 결함에서 4개의 피크를 관찰할 수 있다. 각 결함은 2.87GHz의 중심에서 각각 δ1 = 50MHz 및 δ2 = 118MHz의 분할을 보인다. 기존 현미경에서 이러한 결함들은 병합되기 때문에 각 스핀을 광학적으로 제어할 수 없다. Since the NV center in diamond has four possible spin configurations in the crystal, the two defects can have different amounts of Zeeman splitting depending on the applied magnetic field. As shown in Fig. 7(c), four peaks can be observed from the two defects in the ODMR spectrum. Each defect shows a splitting of δ 1 = 50 MHz and δ 2 = 118 MHz, respectively, centered at 2.87 GHz. In a conventional microscope, these defects are merged, so that each spin cannot be optically controlled.
그러나 본 실시예에 의한 미소 구체 보조 공초점 현미경을 사용하면 도 7(d)에 삽입된 도면과 같이 이러한 결함이 명확하게 분리된다. 도 7(d) 및 도 7(e)로 예시된 것과 같이 각 결함의 ODMR 신호를 각각 기록한다. 분리되지 않은 2개 결함에 의한 이전의 4개 피크와 달리 각 ODMR 스펙트럼은 서로 다른 결함에 대한 간섭(crosstalk)없이 각 결함에 의한 두 개의 분리된 피크(결합 1: δ1= ±55MHz, 결함 2: δ2= ±120MHz)만 표시한다. 두 설정 사이의 δ1,2의 차이는 측정 중 자석 정렬의 변화 때문이다. 따라서 향상된 공간 분해능 및 신호 대비를 갖춘 미세구 보조 이미징을 통해 기존 현미경에서 공간적으로 분리되지 않은 결함의 단일 광자와 단일 스핀의 독립적인 접근이 가능하다.However, using the microsphere-assisted confocal microscope according to the present embodiment, such defects are clearly separated, as shown in the inserted drawing in Fig. 7(d). The ODMR signal of each defect is recorded separately, as exemplified in Fig. 7(d) and Fig. 7(e). Unlike the previous four peaks due to the two non-separated defects, each ODMR spectrum shows only two separated peaks (defect 1: δ 1 = ±55 MHz, defect 2: δ 2 = ±120 MHz) due to each defect without crosstalk for different defects. The difference in δ 1,2 between the two setups is due to the variation of the magnet alignment during the measurement. Therefore, the microsphere-assisted imaging with improved spatial resolution and signal contrast enables independent access of single photons and single spins of defects that are not spatially separated in conventional microscopy.
미소 구체 렌즈는 재배치 가능한 광학 인터페이스로서 이점을 가진다. 미소 구체의 위치는 기계적 또는 광학적 힘에 의해 쉽게 제어될 수 있다. 미소 구체의 위치 제어를 위해 광학 트위저(optical tweezer, 400)을 결합하였다. 일반적으로 고굴절률 미소 구체는 계면에서의 산란력이 크기 때문에 광학 트위저을 사용하여 포획하기 어렵다. 그러나 침지 오일은 미소 구체와 환경 사이의 광학 지수 대비를 낮추어 반 데어발스의 힘 및 산란력을 극복할 수 있도록 한다. 도 6a 및 도 6b는 광학 트위저으로 개별 미소 구체의 포획 및 재배치를 도시한다. 트래핑 레이저 없이 미소 구체가 기판에 부착되어 있음을 주목하여야 하며, 구를 배치하면 며칠 후에도 제자리에 유지된다. Microsphere lenses have the advantage of being a repositionable optical interface. The position of the microspheres can be easily controlled by mechanical or optical forces. Optical tweezers (400) were combined to control the position of the microspheres. In general, high refractive index microspheres are difficult to capture using optical tweezers because of the large scattering force at the interface. However, the immersion oil lowers the optical index contrast between the microspheres and the environment, which allows the van der Waals force and scattering force to be overcome. Figures 6a and 6b illustrate the capture and reposition of individual microspheres with optical tweezers. It should be noted that the microspheres are attached to the substrate without a trapping laser, and the spheres remain in place even after several days of placement.
10: 이미징 장치 100: 미소 구체
200: 광학계 300: 광원10: Imaging device 100: Microsphere
200: Optical system 300: Light source
Claims (13)
상기 미소구체에 광을 제공하고, 상기 미소구체를 통하여 상기 타겟을 이미징하는 광학계;
상기 타겟에서 형성된 광을 제공받고, 상응하는 전기적 신호로 변환하는 신호 처리부; 및
상기 다이아몬드 점 결함 내 전자 스핀 상태와 공명하는 주파수의 마이크로파를 생성하여 조사하는 RF 생성기(RF Generator)를 더 포함하고,
RF 생성기가 조사한 상기 마이크로 파는 상기 다이아몬드의 점 결함 내의 전자의 스핀 상태를 제어하는 이미징 장치.A microsphere positioned on a sample and arranged on a target, the target being a point defect within the diamond;
An optical system for providing light to the microspheres and imaging the target through the microspheres;
A signal processing unit that receives light formed from the target and converts it into a corresponding electrical signal; and
Further comprising an RF generator for generating and irradiating microwaves of a frequency that resonates with the electron spin state within the above diamond point defect,
An imaging device in which the above microwaves irradiated by the RF generator control the spin state of electrons within the point defects of the diamond.
상기 미소 구체는,
상기 미소 구체 외부 환경의 굴절율과의 차이가 1.3 내지 1.7인 물질로 이루어진 이미징 장치. In the first paragraph,
The above microspheres are,
An imaging device made of a material having a difference in refractive index between the microsphere and the external environment of the microsphere of 1.3 to 1.7.
상기 미소 구체는
바륨타이타네이트(BaTiO3) 재질, 용융 실리카(fused silica) 혹은 라임 유리(lime glass) 중 어느 하나의 재질인 이미징 장치.In the first paragraph,
The above microspheres are
An imaging device made of one of barium titanate (BaTiO 3 ), fused silica, or lime glass.
상기 다이아몬드 내에 위치한 점 결함은 단일 광자와 양자 스핀을 제공하는 이미징 장치.In the first paragraph,
The point defect located within the above diamond is an imaging device that provides single photons and quantum spins.
상기 이미징 장치는,
상기 샘플 아래에 형성된 허상을 이미징하는 이미징 장치.In the first paragraph,
The above imaging device,
An imaging device for imaging an image formed under the sample.
상기 미소구체는,
상기 미소구체의 굴절율에 비하여 낮은 굴절율을 가지는 침지 오일에 침지된 이미징 장치.In the first paragraph,
The above microspheres are,
An imaging device immersed in immersion oil having a lower refractive index than the refractive index of the above microspheres.
상기 이미징 장치는,
상기 광을 제공하는 광원과,
상기 결함에서 제공된 광을 수광하여 상응하는 전기적 신호로 형셩하는 수광부 및
상기 전기적 신호를 처리하는 신호 처리부를 더 포함하는 이미징 장치.In the first paragraph,
The above imaging device,
A light source providing the above light,
A light receiving unit that receives light provided from the above defect and converts it into a corresponding electrical signal; and
An imaging device further comprising a signal processing unit for processing the electrical signal.
상기 광원은 연속파 레이저이고,
상기 수광부는 어밸런치 포토 다이오드를 포함하는 이미징 장치.In Article 10,
The above light source is a continuous wave laser,
The above light-receiving unit is an imaging device including an avalanche photodiode.
상기 이미징 장치는,
상기 미소구체를 상기 결함 상에 배치하는 광학 트위저(optical tweezer)를 더 포함하고,
상기 광학 트위저는 레이저 광원을 포함하는 이미징 장치.In the first paragraph,
The above imaging device,
Further comprising an optical tweezer for placing the microspheres on the defect,
The optical tweezers are imaging devices including a laser light source.
상기 광학계는 공초점 현미경인 이미징 장치.
In the first paragraph,
The above optical system is an imaging device that is a confocal microscope.
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Citations (4)
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|---|---|---|---|---|
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| JP2014522364A (en) * | 2011-05-10 | 2014-09-04 | エレメント シックス リミテッド | Diamond sensor, detector and quantum device |
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Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO1996002563A1 (en) | 1994-07-13 | 1996-02-01 | Cornell Research Foundation, Inc. | Epstein-barr virus nuclear antigen 1 protein and its expression and recovery |
| JP2014522364A (en) * | 2011-05-10 | 2014-09-04 | エレメント シックス リミテッド | Diamond sensor, detector and quantum device |
| JP2020527759A (en) | 2017-06-28 | 2020-09-10 | エルアイジー ナノワイズ リミテッドLig Nanowise Limited | Microsphere lens assembly |
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