金刚石 NV色心，因其卓越的量子效率、精确控制等优势，已成为推动量子信息和成像技术发展的关键组成部分。
目前的研究主要集中在将荧光纳米金刚石FNDs与等离子体结构结合，以利用表面等离子体激元（SPPs）的增强效应，从而提升光吸收、发射速率和收集效率。为了实现这种集成，研究人员采用了多种技术，包括自组装、电子束双图案曝光、原子力显微镜以及纳米腔内的光学捕获。
近日，加州大学河滨分校的研究人员利用等离子体纳米聚焦技术，将FNDs精确组装到AgNW顶端，通过光纤引导光线至AgNW顶端形成等离子体热点，最大化捕获力并增强量子发射。实验结果表明，该系统中约35%的量子发射被有效捕获并转化为SPP。此外，研究还展示了这一纳米聚焦技术如何通过结合等离子体捕获、光学激发和高效量子信号收集，大幅提升了量子发射体的光学性能。
等离子体探针捕获纳米粒子的观察结果。(a) 从视频片段中提取的代表性宽场 PL 图像，展示了在 AgNW 探针上的位置 A 捕获的 FND。AgNW 表面位置 B 和 C 处的粒子促进了 SPP 与自由空间的耦合。(b) SEM 图像验证了指定位置处纳米结构的存在。(c) FND-AgNW 组装体中能量传递路径的示意图。(d) 来自三个不同位置的 PL 发射的时间荧光强度分布。(e) 不同点之间 PL 强度相关性的分析。(f) 来自位置 A 和 B 的事件的归一化互相关性。(g) 从左端口引入 AgNW 的 HE 1模式 SPP 的电场分布。(h) 来自量子发射器的 SPP 模式耦合效率的可视化，源自电偶极子发射器的位置映射。（i）偶极子发射体在不同接近度下的Purcell 因子（F p ）的空间表示 图源：公开网络
研究通过使用银纳米线（AgNWs）作为等离子波导的尖端来实现纳米金刚石的精准组装。通过光纤引导入射光至AgNW顶端，形成等离子热点，强化了电场强度，在此位置上最大化了等离子捕获力和量子发射体的耦合效率。通过时间分辨定位技术，精确分析了纳米金刚石与等离子陷阱的相互作用，并展示了该系统中35%以上的量子发射用于等离子波导的生成。
详细的捕获动力学和定位分析：(a) 根据应用于 PL 强度分布的二维高斯拟合推导出点 A（蓝色）和 B（橙色）中心位置的轨迹映射。(b) 点 A 和 B 的基于强度的直方图。(c、d) 点 B 和 A 处粒子位置的示例性空间分布，分别对应于 PL 强度范围 4000-5000 计数/秒 (cps)，如第三个直方图条上方所示。(e) 分别对点 A（蓝色）和 B（橙色）在不同强度范围内的空间分布进行x和y方向的半峰全宽 (fwhm) 分析。 图源：公开网络
实验装置包括将532 nm激光束定向至单模光纤，该光纤与AgNW探针连接。实验中引入的氮空位纳米金刚石溶液浓度经过稀释，使用显微镜和扫描电子显微镜对纳米金刚石的捕获动态进行观察和成像。通过激发的表面等离子体波，研究纳米金刚石的荧光发射特性以及光学捕获过程中荧光强度变化。
捕获势能的计算评估：(a) HE 1模式的电场在不同横截面上的分布曲线。(b) 沿不同轨迹的光捕获势能映射，如图 (a) 所示。它是通过对 (c) 中的光捕获力 ( Fx , Fy , Fz ) 进行积分计算得出的，这些力来自麦克斯韦应力张量。(d) 施加在量子点上的相关势阱刚度 ( Fx , Fy , Fz )，由计算出的力分布确定。图源：公开网络
结果分析表明，纳米聚焦设备通过精确匹配银纳米线与氮空位纳米金刚石，实现了显著的发射增强。氮空位纳米金刚石的光致发光（PL）信号主要通过等离子体波导传播，而银纳米线系统中的Purcell因子高达58.6，表明自发发射速率显著提高。量子发射增强因子（EF）约为2400，显示了系统在增强量子发射体荧光发射方面的有效性。实验还发现，超过84%的纳米金刚石辐射能够有效通过等离子波导传输，传输长度约为90微米，系统的品质因数（FOM）高达3000，展示了在量子网络中的高效能量传输能力。进一步的荧光发射与空间分布分析显示，纳米金刚石在等离子体陷阱中的发射信号与等离子热点的电场分布紧密相关，特别是在靠近AgNW顶端的区域发射强度显著增强。这些研究为量子传感系统的发展提供了有力支持，有助于提高系统的灵敏度和分辨率，推动混合量子传感技术的进步。
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