Nanoskopi Penipisan Keadaan Dasar dari Pusat Kekosongan Nitrogen di Nanodiamonds
Abstrak
Pusat kekosongan nitrogen (\({\text{NV}}^{ - }\)) bermuatan negatif di nanodiamonds (NDs) baru-baru ini dipelajari untuk aplikasi dalam pencitraan seluler karena stabilitas foto dan biokompatibilitasnya yang lebih baik jika dibandingkan dengan fluorofor lainnya. Pencitraan resolusi super yang mencapai resolusi 20-nm \({\text{NV}}^{ - }\) di ND telah dibuktikan selama bertahun-tahun menggunakan pendekatan pencitraan terbatas sub-difraksi seperti mikroskop lokalisasi stokastik molekul tunggal dan emisi terstimulasi mikroskop deplesi. Di sini kami menunjukkan demonstrasi pertama nanoskopi penipisan keadaan dasar (GSD) dari pusat-pusat ini di ND menggunakan tiga balok, balok probe, balok penipisan, dan balok reset. Sinar penipisan pada 638 nm memaksa pusat \({\text{NV}}^{ - }\) ke keadaan gelap metastabil di mana-mana tetapi dalam minimum lokal, sementara berkas Gaussian pada 594 nm menyelidiki \({\text {NV}}^{ - }\) dan sinar reset 488-nm digunakan untuk mengisi kembali keadaan tereksitasi. Pencitraan resolusi super dari satu pusat \({\text{NV}}^{ - }\) dengan lebar penuh pada setengah maksimum 36 nm ditunjukkan, dan dua \({\text{NV}}^{ yang berdekatan ditunjukkan - }\) pusat yang dipisahkan oleh 72 nm diselesaikan. Mikroskop GSD di sini diterapkan pada \({\text{NV}}^{ - }\) di ND dengan daya optik yang jauh lebih rendah dibandingkan dengan berlian massal. Karya ini menunjukkan perlunya mengontrol konsentrasi nitrogen ND untuk menyesuaikan aplikasinya dalam metode pencitraan resolusi super dan membuka jalan bagi studi \({\text{NV}}^{ - }\) dalam interaksi skala nano ND.
Pengantar
Kekosongan nitrogen (\({\text{NV}}^{ - }\)) pusat di berlian, terdiri dari nitrogen substitusi dengan kekosongan tetangga, telah menarik minat yang luas di beberapa bidang ilmiah dan teknologi, di antara yang paling terkenal sebagai memori kuantum di komputer kuantum masa depan [1], magnetometer yang sangat sensitif [2] dengan aplikasi dalam pencitraan biomedis sel hidup [3] dan aktivitas neuron [4], dan sebagai probe skala atom dalam berbagai metode pencitraan resolusi super seperti mikroskop penipisan emisi terstimulasi (STED) dan varian putarannya, varian mikroskopi penipisan keadaan dasar (GSD) [5,6,7] dan mikroskop lokalisasi stokastik molekul tunggal (SMLM) dengan lokalisasi spin nanometrik [8]. Secara khusus, metode mengalahkan batas difraksi dalam mikroskop fluoresensi mewakili perubahan paradigma dalam ilmu biomedis saat ini [9] dan \({\text{NV}}^{ - }\) dalam berlian telah memainkan peran yang relevan di bidang ini sebagai nanoprobe baru. Karena inertness berlian, biokompatibilitas tinggi, ketahanan dan stabilitas foto dari \({\text{NV}}^{ - }\) foto-luminesensi dengan hasil kuantum tinggi, telah banyak dieksplorasi untuk aplikasi dalam ilmu biomedis dan bio-photonics [10, 11] dan dalam mikroskop otak [12] juga dalam bentuk struktur nano yang dikenal sebagai nanodiamonds (NDs) [13, 14]. NDs mempertahankan sifat fluoresensi NV yang serupa dari berlian massal inang dengan keunggulan lebih kompatibel untuk aplikasi pencitraan resolusi super ilmu kehidupan [15]. Namun, karena ketidakhomogenan dalam bentuk dan bahan doping nitrogen dari ND fluoresen yang diproduksi secara massal saat ini, menginduksi sifat variabel NV dibandingkan dengan berlian curah dan sering menampung kotoran lainnya, pencitraan resolusi super menggunakan ND umumnya lebih menantang dibandingkan dengan berlian massal .
Keterbatasan untuk menerapkan metode resolusi super ke ND dibandingkan dengan berlian curah dengan kemurnian lebih baik dikaitkan dengan variabilitas sifat foto-fisik \({\text{NV}}^{ - }\) karena ketidakhomogenan nitrogen ND konsentrasi, perangkap muatan, dan konsentrasi kotoran lainnya.
Pencitraan skala nano dari pusat \({\text{NV}}^{ - }\) di ND telah ditunjukkan dengan mikroskop STED dengan kekuatan sinar penipisan > 650 mW untuk mencapai resolusi 20 nm [16, 17] (maksimum resolusi massal dicapai dengan sedikit 3,7 GW/cm
2
[5]); namun, modalitas pencitraan yang mencapai resolusi skala nano dengan intensitas optik dalam orde W diperlukan, misalnya, skala nano pencitraan seluler in vivo untuk mengurangi toksisitas foto. ND memiliki keuntungan memungkinkan pelabelan seluler, yang tidak mungkin dilakukan dengan platform massal dan telah digunakan untuk pencitraan resolusi super medan magnet menggunakan SMLM [18], yang kurang toksik terhadap foto dibandingkan mikroskop STED atau GSD. Pencitraan resolusi super sebelumnya dari \({\text{NV}}^{ - }\) dalam berlian massal menggunakan GSD dicapai dengan menghabiskan keadaan dasarnya menggunakan sinar intensitas tinggi 532 nm yang menarik pusat ke keadaan bercahaya; oleh karena itu, penipisan keadaan dasar terjadi melalui keadaan tereksitasi [7]. Namun, pendekatan ini juga membutuhkan intensitas optik yang sangat tinggi untuk mencapai resolusi super (beberapa GW/cm
2
untuk mencapai resolusi < 10 nm) dan algoritme rekonstruksi pencitraan untuk mencapai gambar positif [19]. Resolusi super berdaya rendah telah dicapai menggunakan laser berdenyut picosecond yang mendorong konversi muatan \({\text{NV}}^{ - }\) ke status pengisian netral (\({\text{NV}}^{0 }\) dengan garis fonon nol pada 575 nm) dalam berlian massal, yang dikenal sebagai nanoskopi deplesi konversi status muatan (CSD) [20, 21]; namun, daya rata-rata sinar penipisan adalah 1 mW untuk mencapai resolusi 12-nm dan mekanismenya tampaknya bergantung pada material, yaitu konsentrasi nitrogen sangat rendah (lebih rendah dari 5 ppb [21]), umumnya dicapai dalam deposisi uap kimia tingkat elektronik berlian massal.
Pendekatan alternatif untuk nanoskopi GSD dari \({\text{NV}}^{ - }\) pusat berlian massal menggunakan keadaan gelap metastabil untuk menguras keadaan dasar menggunakan daya yang jauh lebih rendah melalui keadaan metastabil berumur panjang, seperti aslinya diusulkan dalam Ref. [22] dan pertama kali didemonstrasikan dalam Ref. [23] dalam sel mamalia menggunakan pewarna organik Atto532.
Prinsip GSD adalah penonaktifan fluoresensi penanda fluoresen melalui pendekatan dua sinar. Sinar pertama adalah sinar eksitasi atau probe, yang menggairahkan fluorofor ke keadaan tereksitasi, dan sinar kedua adalah sinar penghambatan, yang mematikan fluoresensi. Penonaktifan fluoresensi dicapai dengan secara sementara mengesampingkan populasi fluorofor ke keadaan metastabil atau keadaan triplet berumur panjang. Transisi optik antara status metastabil singlet dan status triplet memerlukan spin flip dan oleh karena itu secara optik ditekan [23].
Dalam Ref. [24], GSD diaktifkan dengan terus memompa pusat dari 25 hingga 200 μW daya optik dari laser merah CW (638 nm) yang membawa \({\text{NV}}^{ - }\) menjadi non- keadaan fluoresen dengan mengisi keadaan metastabilnya yang berumur panjang, sehingga menghabiskan keadaan dasarnya, sementara laser biru (476 nm) digunakan untuk mengosongkan keadaan metastabil gelap yang mendorong transisi ke keadaan energi yang lebih tinggi. Di sini laser 638-nm digunakan juga untuk membangkitkan pusat bahkan jika tidak efisien dan kemudian menyimpannya dalam keadaan metastabil. \({\text{NV}}^{ - }\) menunjukkan pendaran hanya jika dieksitasi dengan laser biru dan merah. Resolusi 16 nm dicapai dengan 5 mW daya laser deplesi, yang jauh lebih rendah daripada yang digunakan di STED atau GSD sebelumnya. Salah satu batasan yang mungkin dari metode ini adalah ketergantungan sifat-sifat keadaan metastabil dari berbagai jenis berlian dengan kandungan nitrogen yang lebih sedikit atau lebih, atau bahkan lebih dalam ND, membatasi penerapannya. Dalam Ref. [24], berlian curah adalah berlian kelas optik tipe IIa, yang sesuai dengan konsentrasi nitrogen 500 ppm, jauh lebih tinggi daripada karya terbaru pada CSD [21], yang bergantung pada konsentrasi nitrogen rendah (< 5 ppb) . Pernyataan yang dilaporkan dalam Ref. [21] bahwa keadaan gelap Ref. [24] adalah keadaan muatan netral dari \({\text{NV}}^{ - }\) menderita karena tidak mempertimbangkan bahwa dalam konsentrasi nitrogen tinggi NV
−/0
konversi muatan ditekan [25] dan NV sebagian besar dalam keadaan muatan negatifnya; lebih lanjut, masa hidup yang diukur dari keadaan gelap sangat panjang dan tidak dapat dikaitkan dengan proses konversi muatan. Faktanya, CSD belum terbukti dalam ND fluoresen komersial (berasal dari tekanan tinggi dan suhu tinggi, HPHT, berlian) karena konsentrasi nitrogennya yang tinggi, ketidakstabilan muatan karena cacat lain dan sifat variabel foto-fisik karena kurangnya kontrol bahan.
Mekanisme untuk menetapkan nanoskopi GSD juga belum dilaporkan dengan pusat \({\text{NV}}^{ - }\) di ND karena hipotesis bahwa CSD tidak dapat terjadi di ND.
Dalam makalah ini, kami menunjukkan bahwa GSD dapat dilakukan di ND, membuktikan ketergantungan metode GSD dan CSD pada konsentrasi nitrogen berlian dan mendorong kebutuhan rekayasa material ND untuk resolusi super spesifik dan metode penginderaan putaran.
Dalam makalah ini, kami mendemonstrasikan nanoskopi GSD dari pusat \({\text{NV}}^{ - }\) di ND menggunakan mekanisme sakelar fluoresen hidup/mati yang serupa yang dicapai dengan menyimpan elektron dalam keadaan metastabil berumur panjang menggunakan a pendekatan tiga sinar dan menggunakan 300 μW untuk sepenuhnya menguras keadaan tereksitasi dan mencapai resolusi maksimum. Di sini, kami menunjukkan bahwa properti \({\text{NV}}^{ - }\) di ND tidak membatasi penerapan metode ini, seperti yang diperkirakan sebelumnya [24]. Selanjutnya kami dapat membedakan dua pusat \({\text{NV}}^{ - }\) dalam ND yang sama seperti yang ditunjukkan sebelumnya menggunakan mikroskop SMLM [26] dan STED [17].
Untuk membuktikan bahwa mekanisme penipisan keadaan dasar dalam pekerjaan kami disebabkan oleh keadaan metastabil yang berumur gelap daripada CSD, kami akan merangkum hasil utama terbaru dalam kaitannya dengan NV
−/0
konversi status biaya. Sehubungan dengan ionisasi induksi-foto ini, rekombinasi NV
−/0
status muatan telah dipelajari secara menyeluruh dan ditemukan bergantung pada panjang gelombang eksitasi [27, 28], dengan peralihan status muatan untuk eksitasi laser merah (atau biru), dengan eksitasi merah digunakan untuk mengganti NV
−
ke keadaan muatan netralnya. Pergantian cepat yang terjadi pada daya laser rendah ini telah digunakan untuk menerapkan nanoskopi deplesi keadaan muatan [21] dan nanoskopi rekonstruksi optik stokastik [8] hanya dalam berlian massal yang ditanam dengan deposisi uap kimia, di mana konsentrasi nitrogen terkontrol dengan baik dan umumnya sangat rendah. karena pertumbuhan suhu rendah. Dinamika switching ini karena panjang gelombang eksitasi berdasarkan konversi status muatan NV tidak diamati pada ND [18, 26, 29], di mana kedipan disebabkan oleh perangkap muatan yang dihasilkan oleh kerusakan mekanis selama proses fabrikasi (umumnya menabrak HPHT nitrogen tinggi konsentrasi mikrodiamond) atau efek lain yang terkait dengan oksidasi [26, 29,30,31] atau kedekatan dengan pengotor akseptor lain [18, 32], dan karena itu tidak terkait dengan NV
−/0
konversi biaya. Juga telah ditunjukkan bahwa NV
−
Konversi muatan juga sangat tergantung pada konsentrasi pengotor donor elektron dalam kisi intan, yaitu konversi keadaan negatif ke keadaan muatan netral ditekan untuk konsentrasi pengotor donor (Nitrogen) konsentrasi tinggi [25]. Sebenarnya telah diusulkan untuk menggunakan donor dan akseptor dalam berlian untuk menstabilkan keadaan muatan NV [33]. Sebagian besar studi ini dilakukan dalam berlian curah dan hanya penelitian terbaru [34] menunjukkan bahwa pertumbuhan ND pada suhu rendah memungkinkan penggabungan nitrogen yang lebih rendah, dan karena itu ND berperilaku sebagai berlian curah murni dengan peralihan status muatan yang kuat untuk merah ( atau biru) eksitasi laser, sementara pertumbuhan suhu tinggi yang menggabungkan lebih banyak pengotor nitrogen menekan konversi muatan ini secara signifikan.
Di ND kami, kami belum mengamati NV
−/0
konversi muatan karena eksitasi panjang gelombang laser, dan kami mengaitkan keadaan gelap dengan keadaan metastabil seperti yang dilakukan sebelumnya [24], juga mengingat ukuran besar ND yang digunakan di sini (~ 100 nm), tanpa berkedip karena permukaan status muatan, selain yang lebih penting adalah konsentrasi nitrogennya yang tinggi. ND yang dipelajari di sini secara komersial berasal dari mikrodiamond HPHT dengan setidaknya konsentrasi nitrogen 500 ppm yang tidak homogen. Status metastabil di Ref. [24] juga dibuktikan dengan masa pakainya yang sangat lama yaitu 150 dtk.
\({\text{NV}}^{ - }\) pusat umumnya paling baik dieksitasi menggunakan 532 atau 561 nm karena mereka memiliki garis fonon nol pada 637 nm [35], sesuai dengan transisi antara keadaan dasar triplet dan tereksitasi negara, terutama transisi konservasi putaran. Selain itu, keadaan metastabil singlet ada [36] di mana pusat transit melalui peluruhan non-radiatif. Masa transisi optik \({\text{NV}}^{ - }\) di ND adalah sekitar 22 ns [37], lebih lama dibandingkan dengan berlian massal 12 ns [35].
Sinar eksitasi (penyelidik) pada 594 nm mendorong transisi dari keadaan dasar ke keadaan tereksitasi, sedangkan berkas penipisan pada 638 nm secara sementara menyimpan elektron dari \({\text{NV}}^{ - }\) dari pusat keadaan tereksitasi ke keadaan metastabil melalui persilangan antarsistem non-radiatif (Gbr. 1a). Penggunaan 594 nm sebagai probe dibenarkan oleh perubahan minimal populasi keadaan gelap jika dibandingkan dengan hijau (biasanya 532 atau 561 nm) [24]. Metode ini secara efektif menjenuhkan persilangan antarsistem dan mengosongkan keadaan dasar, mencegah eksitasi ke keadaan tereksitasi dari pusat \({\text{NV}}^{ - }\) dan emisi fluoresensi berikutnya, ketika diperiksa dengan 594 nm. Terakhir, laser biru pada 488 nm mengisi kembali keadaan tereksitasi, menghambat peluruhan cepat (ns) berikutnya ke keadaan dasar [38].
a Prinsip GSD dalam \({\text{NV}}^{ - }\) dalam ND menggunakan sinar probe pada 594 nm (kuning), sinar penipisan pada 638 nm (merah) dan sinar reset pada 488 nm ( biru). Keadaan dasar GS, keadaan tereksitasi ES dan keadaan metastabil MS dari pusat NV. Ilustrasi pusat NV dalam berlian nano. b Representasi skematis dari set-up eksperimental. Sistem ini terdiri dari mikroskop confocal buatan sendiri dengan tiga laser yang beroperasi pada panjang gelombang 488 nm, 594 nm, dan 638 nm. Pelat fase vortex secara spasial merekayasa sinar penipisan 638 nm menjadi balok donat untuk memastikan penipisan hanya di sekitar area terbatas difraksi. c Karakterisasi modulator akustik-optik dengan mengukur waktu kedatangan pulsa setiap laser. d Skema urutan pulsa yang digunakan dalam nanoscopy GSD. Jendela deteksi disinkronkan dengan pancaran probe pada 594 nm untuk mengumpulkan fluoresensi yang relevan saja. Panjang pulsa pancaran probe 594 nm dioptimalkan pada 20 s, karena panjang pulsa yang lebih pendek akan menghasilkan waktu rata-rata yang lebih lama dan panjang pulsa yang lebih panjang akan menghasilkan pencitraan resolusi super yang kurang efisien. Sinar reset 488 nm dioptimalkan pada 20 s karena lebih disukai memilikinya sesingkat mungkin untuk mengurangi keseluruhan waktu urutan pulsa tetapi masih mengosongkan status metastabil berumur panjang secara efektif
Serupa dengan STED, berkas penipisan direkayasa secara spasial menjadi berkas donat pada bidang transversal untuk mencapai pencitraan resolusi super [24]. Resolusi d nanoskopi GSD mematuhi Persamaan. [23]:
dengan NA menunjukkan bukaan numerik lensa objektif, \(I_{{\text{s}}}\) intensitas saturasi di mana setengah dari fluoresensi habis dan \(I_{{\text{D}}}^{\ max }\) nilai intensitas maksimum dari puncak yang berbatasan dengan nol.
Kami mengukur resolusi pencitraan 36 nm untuk satu pusat \({\text{NV}}^{ - }\) di ND bergantung pada intensitas sinar penipisan. Selanjutnya, dua \({\text{NV}}^{ - }\) pusat yang dipisahkan oleh 72 nm telah diselesaikan. Pekerjaan kami menjanjikan untuk nanoskopi fluoresen dalam sel hidup dengan ND yang mengandung pusat \({\text{NV}}^{ - }\) sebagai biomarker.
Metode Eksperimental
Untuk percobaan ini, suspensi ND suhu tinggi bertekanan tinggi (HPHT) berukuran nominal 100 nm [39, 40], dibersihkan dengan asam dan diencerkan dalam larutan MilliQ, digunakan. Volume 20 l larutan NDs (1:200 diencerkan dalam air MilliQ) diteteskan pada kaca penutup borosilikat yang telah dibersihkan dengan abu dan dikeringkan di udara [37]. Pengaturan eksperimental untuk nanoskopi GSD terdiri dari mikroskop confocal buatan sendiri dengan dua laser dioda gelombang kontinu pada panjang gelombang 488 nm dan 638 nm dan laser helium–neon (HeNe) gelombang kontinu pada panjang gelombang 594 nm. Di setiap jalur pancaran, sebuah modulator acousto-optic (AOM) dipasang untuk membuat pulsa optik dari berkas cahaya kontinu dan menyinkronkannya satu sama lain. Setelah menyebar melalui AOM, filter spasial membersihkan profil sinar spasial. Sebuah lensa sekunder mengkolimasikan setiap berkas untuk propagasi lebih lanjut. Pertama, sinar laser pada panjang gelombang 488 nm dan 638 nm tumpang tindih secara spasial menggunakan dikroik datar laser jarak jauh 532 nm (Semrock-LPD01 532R). Sebuah dichroic sekunder (Semrock- R405/488/543/638) secara spasial tumpang tindih ketiga balok dengan mencerminkan panjang gelombang 488 nm dan 638 nm dan mentransmisikan panjang gelombang 594 nm. Profil balok spasial dari balok deplesi pada panjang gelombang 638 nm direkayasa menjadi balok donat menggunakan pelat fasa. Selanjutnya, pelat seperempat gelombang ditempatkan sebelum tujuan untuk memastikan polarisasi melingkar dari balok penipisan. Objektif perendaman minyak aperture numerik tinggi (NA = 1.4) digunakan untuk mencitrakan ND. Dichroic (Semrock- LP02-671RU-25) memisahkan fluoresensi pusat \({\text{NV}}^{ - }\) dari panjang gelombang eksitasi dan mengarahkannya ke dioda Avalanche foton tunggal (SPCM-AQRH -14FC) detektor melalui serat mode tunggal yang bertindak sebagai lubang jarum. Representasi skematis dari pengaturan optik ditunjukkan pada Gambar. 1b.
Nanopartikel emas dengan ukuran rata-rata 40 nm dijatuhkan ke kaca penutup dan dicitrakan untuk menyelidiki profil spasial sinar deplesi. Fungsi penyebaran titik berbentuk donat dengan cincin intensitas tinggi dan minimum lokal di tengahnya diamati (inset dari Gbr. 1b).
Kami pertama-tama menyelidiki respons temporal dari setiap pulsa laser. AOM dikendalikan melalui LabVIEW menggunakan generator pulsa multichannel (PulseBlasterESR-PRO) yang mengontrol sifat temporal individu dari setiap sinar laser, serta waktu antara tiga sinar. Karena panjang jalur optik yang berbeda untuk masing-masing laser, pulsa optik yang dihasilkan pada saat yang sama memiliki waktu kedatangan yang sedikit diimbangi di detektor. Hal ini memungkinkan kita untuk memiliki kontrol temporal atas ketiga sinar laser pada skala waktu sub-mikrodetik.
Waktu naik dan turun 60 ns diukur untuk balok eksitasi (Gbr. 1c). Pulsa optik pada panjang gelombang 594 nm dan 638 nm diperoleh dengan pemisahan 85 ns dan 155 ns sehubungan dengan pulsa pada panjang gelombang 488 nm. Setiap pulsa laser menghasilkan fluoresensi yang berasal dari beberapa sumber berbeda, termasuk pusat \({\text{NV}}^{ - }\), pengotor lain di ND dan cacat di dalam kaca penutup. Hanya fluoresensi yang dihasilkan oleh sinar eksitasi yang relevan untuk pencitraan GSD. Fluoresensi dari pulsa laser lainnya berkontribusi pada noise gambar fluoresensi. Untuk alasan itu, time gating diperkenalkan untuk menghilangkan fluoresensi yang dihasilkan oleh pulsa laser selain sinar probe. Hal ini dicapai melalui gerbang deteksi dengan waktu kedatangan pulsa pancaran probe, secara efektif menyaring sumber fluoresen lainnya dan meningkatkan rasio signal-to-noise dari pencitraan.
Urutan pulsa tipikal untuk nanoskopi GSD dan jendela deteksi diberikan pada Gambar. 1d. Mematikan pusat fluoresensi \({\text{NV}}^{ - }\) dicapai dengan menyimpan elektron ke dalam keadaan berumur panjang dengan pulsa penipisan pada panjang gelombang 638 nm. Eksitasi pusat \({\text{NV}}^{ - }\) di daerah sub-difraksi diberikan oleh pulsa pada panjang gelombang 594 nm, sedangkan pulsa pada panjang gelombang 488 nm menyetel ulang \({\text {NV}}^{ - }\) berpusat kembali ke keadaan tereksitasi. Urutan pulsa diulang 500-1000 kali untuk memastikan rasio signal-to-noise yang tinggi. Panjang pulsa berada dalam kisaran 10–20 s untuk berkas probe (594 nm) dan berkas reset (488 nm). Panjang pulsa optimal dari sinar deplesi ditemukan ~ 300 μs (Gbr. 2d). Optimalisasi durasi pulsa pancaran didasarkan pada Ref. [24]; namun, optimasi yang lebih sistematis harus dilakukan untuk meningkatkan resolusi akhir. Diharapkan bahwa resolusi tergantung pada durasi pulsa pancaran penghambatan, yang dibatasi oleh masa hidup keadaan metastabil.
a Fluoresensi dari satu pusat \({\text{NV}}^{ - }\) berdasarkan eksitasi 488 nm dan 638 nm. Fluoresensi yang terdeteksi meningkat ketika kedua laser secara bersamaan merangsang pusat \({\text{NV}}^{ - }\). b Ketergantungan fluoresensi pada daya penipisan. Sebuah ilustrasi dari urutan pulsa ditunjukkan pada sisipan. Fluoresensi hanya terdeteksi saat laser probe pada 594 nm menyala. c Kurva antibunching dari pusat \({\text{NV}}^{ - }\) menunjukkan fungsi korelasi orde kedua < 0,5 waktu tunda nol
Hasil dan Diskusi
Mekanisme pengaktifan/penonaktifan diselidiki dengan menarik pusat \({\text{NV}}^{ - }\) di bawah sumber laser pada panjang gelombang 638 nm dan 488 nm (Gbr. 2a). Peningkatan emisi fluoresensi dari pusat \({\text{NV}}^{ - }\) terdeteksi hanya ketika dua sinar tumpang tindih secara spasial. Perilaku memancarkan ini dipahami, dengan asumsi bahwa berkas pada panjang gelombang 638 nm lebih memilih menyimpan elektron dalam keadaan berumur panjang, sedangkan berkas pada 488 nm memungkinkan emisi spontan (Gbr. 1a). Kami mengasumsikan seumur hidup untuk status pusat \({\text{NV}}^{ - }\) berumur panjang lebih pendek (satu-satunya pengukuran untuk ND adalah 33–127 ns dari ref.[38], sedangkan status singlet transisi adalah 300 ns [41]) daripada masa hidup keadaan metastabil dalam berlian curah (diukur 150 s) [24] dan lebih lama dari masa hidup keadaan tereksitasi [37].
Pusat \({\text{NV}}^{ - }\) tunggal dipilih menggunakan pengukuran anti-bunching (Gbr. 2c) untuk mempelajari daya yang diperlukan balok deplesi untuk memadamkan fluoresensi secara efektif dalam bentuk donat [42] . Sinar pada panjang gelombang 594 nm ditambahkan untuk menyelidiki apakah pusat \({\text{NV}}^{ - }\) tunggal dalam keadaan aktif atau tidak aktif. Gambar 2b menunjukkan ketergantungan fluoresensi dari pusat \({\text{NV}}^{ - }\) yang dipilih pada intensitas sinar penipisan. Penurunan cepat dalam fluoresensi diamati. Pada daya penipisan 151,2 μW, pusat \({\text{NV}}^{ - }\) dimatikan secara efektif.
Di sini, untuk pertama kalinya sepengetahuan kami, kami mendemonstrasikan nanoskopi GSD yang diterapkan pada ND untuk pencitraan resolusi super dari pusat \({\text{NV}}^{ - }\) tunggal.
Untuk mencapai resolusi super melalui GSD, semua emitor yang ditutupi oleh sinar eksitasi terfokus dimatikan secara sementara, kecuali di wilayah berukuran sub-difraksi, karena tumpang tindih sinar penipisan berbentuk donat yang mentransfer pusat ke panjangnya. hidup dalam keadaan gelap. Resolusi yang diperoleh dapat dikuantifikasi dengan profil di bidang fokus di mana pusat-pusatnya "pada" dan skalanya sesuai Persamaan. (1), di mana \(I_{s}\) skalanya berbanding terbalik dengan masa hidup keadaan yang terlibat dan dengan penampang inhibisi dari transisi pemutusan optik [43, 44].
Gambar 3a menunjukkan gambar fluoresensi super-selesai dari satu pusat \({\text{NV}}^{ - }\) di ND (Gbr. 2c). Lebar penuh pada setengah maksimum (FWHM) adalah 57 nm dalam arah x dan 42 nm dalam arah y (Gbr. 3c).
a Gambar fluoresensi dari pusat \({\text{NV}}^{ - }\) yang sangat terselesaikan berdasarkan nanoskopi GSD. Waktu tinggal 10 md dan ukuran piksel 2 nm. b Resolusi transversal sebagai fungsi dari deplesi daya. Perbedaan antara eksperimen dan teori kemungkinan besar karena ketidaksempurnaan dalam bahan inang dan perubahan lingkungan lokal ND dibandingkan dengan berlian curah. Teori ini didasarkan pada pusat NV dalam berlian curah. c Profil penampang gambar di sepanjang sumbu x dan sumbu y dengan resolusi FWHM masing-masing 57 nm dan 42 nm. Garis solid mewakili yang paling cocok
Hubungan antara daya penipisan dan resolusi ditunjukkan pada Gambar. 3b. Kurva teoritis didasarkan pada Persamaan. (1). Daya tambahan yang diperlukan untuk menekan fluoresensi pusat \({\text{NV}}^{ - }\) untuk data eksperimen dikaitkan dengan lingkungan lokal di host ND dan masa hidup status metastabil yang lebih pendek [38] dibandingkan dengan massal . Perlu dicatat bahwa resolusi maksimum 42 nm dicapai pada 2,2 mW, sementara di Ref. [24] Resolusi 12 nm dicapai dengan 16 mW, sesuai dengan intensitas puncak 12 MW/cm
2
untuk balok deplesi.
Selanjutnya, kami menerapkan nanoskopi GSD untuk mendemonstrasikan pencitraan skala nano dari dua pusat \({\text{NV}}^{ - }\) yang berjarak dekat. Gambar 4a menunjukkan gambar confocal dari \({\text{NV}}^{ - }\) pusat. Di bawah nanoskopi GSD, dua pusat \({\text{NV}}^{ - }\) tunggal dicitrakan dengan resolusi skala nano (Gbr. 4b). Jarak pusat-ke-pusat antara dua pusat \({\text{NV}}^{ - }\) adalah 72 nm (Gbr. 4c). FWHM untuk keduanya yang diselesaikan \({\text{NV}}^{ - }\) berpusat di y -arah masing-masing adalah 36 nm (Gbr. 4d) dan 38 nm (Gbr. 4e). Kami mengaitkan ketidaksejajaran antara sumbu utama ND dan pusat \({\text{NV}}^{ - }\) yang diselesaikan dengan penyimpangan mekanis selama pemindaian gambar confocal.
a Peta fluoresensi confocal 500 × 500 nm (waktu tinggal 2 md dan ukuran piksel 1 nm) dan b gambar dengan resolusi super 300 × 300 nm persegi putih dalam (waktu tinggal 24 md dan ukuran piksel 1 nm) b dari dua \({\text{NV}}^{ - }\) pusat. Bintik confocal individu diselesaikan dengan sangat baik menjadi dua titik fluoresensi redup yang terpisah. c Penampang melintang di sepanjang sumbu X menunjukkan pemisahan 72 nm antara dua puncak yang sesuai dengan lokasi jarak pusat-ke-pusat dari dua pusat NV. d Penampang melintang di sepanjang sumbu Y dengan resolusi FWHM terukur 36 nm dan 38 nm, sesuai dengan \({\text{NV}}^{ - }\) 1 dan \({\text{NV}}^{ - }\) 2 dalam b , masing-masing
Kesimpulan
Dalam karya ini, kami telah mengimplementasikan nanoskopi GSD menggunakan status metastabil dari pusat \({\text{NV}}^{ - }\) di nanodiamonds, menunjukkan pencitraan super-diselesaikan dari \({\text{NV}}^{ - }\) pusat. Pusat \({\text{NV}}^{ - }\) tunggal dengan FWHM 36 nm diselesaikan. Penskalaan resolusi sehubungan dengan intensitas pancaran deplesi juga ditampilkan, dan resolusi super maksimum dicapai dengan daya deplesi 2,2 mW. Selanjutnya, dua \({\text{NV}}^{ - }\) pusat yang dipisahkan oleh 72 nm diselesaikan. Hasil ini membuka kemungkinan untuk menyelidiki kopling dipolar antara pusat \({\text{NV}}^{ - }\) yang berjarak dekat [45], kemampuan untuk penginderaan kuantum resolusi spasial tinggi berdasarkan \({\text{ NV}}^{ - }\) properti spin [6, 18, 46,47,48] serta aplikasi penginderaan multifungsi lainnya berdasarkan berlian massal [49] diperluas ke ND [50].
Dalam makalah ini, kami juga telah menunjukkan bahwa konsentrasi nitrogen dalam intan adalah dasar dari mekanisme GSD dan CSD untuk resolusi super, yang masing-masing dicapai pada intan dengan doping nitrogen tinggi dan rendah. Dengan demikian, ND yang direkayasa untuk metode spesifik harus mengikuti. Dapat dipahami bahwa CSD dapat lebih mudah diterapkan pada sensor putaran karena konsentrasi nitrogen yang rendah; namun, NV
0
keadaan muatan akan membatasi sifat penginderaan kuantum CSD, sementara menstabilkan keadaan muatan \({\text{NV}}^{ - }\) menggunakan donor lain selain nitrogen dapat membawa sensitivitas yang jauh lebih tinggi dari GSD yang diterapkan pada kuantum spin penginderaan.
Nanoskopi GSD dari pusat \({\text{NV}}^{ - }\) di ND menggunakan daya rendah (~ 300 μW) untuk intensitas optik dibandingkan dengan berlian curah, dan lebih cocok untuk sampel biologis. Resolusi GSD dapat ditingkatkan dengan menentukan doping nitrogen yang optimal [34], dengan mempelajari efek pasif permukaan dan pengotor lainnya pada \({\text{NV}}^{ - }\) dalam kondisi metastabil seumur hidup ND dan dengan ND rekayasa dengan pengotor foto-luminescent lebih sedikit.
Berkenaan dengan penginderaan putaran, konsentrasi nitrogen yang tinggi pada ND komersial saat ini yang berasal dari HPHT dan berlian mikro dengan kandungan nitrogen tinggi membatasi sensitivitas putaran sesuai dengan pengurangan kontras resonansi magnetik yang terdeteksi secara optik [34]. Dengan demikian, dopan lain harus dipertimbangkan untuk menstabilkan status pengisian \({\text{NV}}^{ - }\) tanpa menimbulkan dekoherensi [50, 51].
Akhirnya, menggabungkan metode ini dengan eksitasi gelombang mikro [18, 52,53,54], metode ini dapat memberikan pendekatan alternatif untuk pencitraan magnetik optik yang sangat terselesaikan dalam ilmu kehidupan jika sifat material ND saat ini dapat direkayasa lebih baik untuk aplikasi ini.
Ketersediaan data dan materi
Kumpulan data yang digunakan dan/atau dianalisis selama studi saat ini tersedia dari penulis terkait atas permintaan yang wajar.
