Caratterizzazione quanto-ottica di centri azoto-vacanza nel diamante artificiale per applicazioni sensoristiche

Colour centres in diamond are promising sensors for a wide range of physical quantities (electric and magnetic fields, temperature). The negatively charged Nitrogen-Vacancy (NV-) centre is the subject of my thesis because of its interesting properties. My thesis work is divided in two parts. In the first part (carried out at the University of Torino) I studied the characteristic luminescence of NV centres in the visible range and the use of nanodiamonds as cellular biosensors due to the fact they are chemically inert and can diffuse within the cell body with no toxic effects. More in details, nanodiamonds were processed and implanted with MeV ions to create high concentrations of NV centres. A study of the chemical treatment to allow the internalization of nanodiamonds into neuroendocrine cells was than carried while changes in their photoluminescence properties due to functionalization of the surface were monitored. Following, I showed the use of nanodiamonds as luminescent markers in cells in view of the ultimate goal of employing them to measuring cell signals. In the second part (carried out at the University of Ulm within a scholarship funded by Erasmus Traineeship program) I analysed the quantum-optical properties of the NV- centres in bulk diamond and their coupling to other nearby centres and defects, in view of their improved capabilities as magnetometers. In particular, shallow molecular implanted bulk diamond is used to study the hyperfine structure of the NV- centre. The spin-1 state of the NV- centre is highly sensitive to magnetic field due to the Zeeman effect. The measurement of the magnetic field can therefore be performed by driving the spin state of the defect with a microwave field and subsequently reading out the spin state by exploiting its spin-sensitive optical transitions. This technique is called ¿Optically Detected Magnetic Resonance¿ (ODMR). Using ODMR and other spin-control techniques, I analysed the hyperfine structure of the centre due to the interaction with the spin of the nitrogen nucleus. Moreover I studied the presence and the intensity of the coupling with P1 centres (single nitrogen atom) or others NV centres with different pulsed techniques which put the system in superposed states and allow the refocus of slow decoherent processes.

I centri di colore nel diamante hanno promettenti applicazioni come sensori per misurare diverse quantità fisiche (tra cui campi elettrici e magnetici, la temperatura). Lo stato di carica negativo nel centro azoto-vacanza (NV-) è il soggetto della mia tesi per via delle sue interessanti proprietà. Il mio lavoro di tesi è suddiviso in due parti. Nella prima parte (svolta presso l'Università di Torino) ho studiato la caratteristica luminescenza nel visibile dei centri NV e l'uso di nanodiamanti come biosensori per le cellule grazie al fatto che sono chimicamente inerti e possono diffondere al loro interno senza effetti tossici. Più in dettaglio, i nanodiamenti sono stati processati e impiantati con ioni dell'energia del MeV per creare un'alta concentrazione di centri NV. In seguito è stato portato avanti uno studio sul trattamento chimico che permettesse l'internalizzazione dei nanodiamanti in cellule neuroendocrine e, allo stesso tempo, sono stati monitorati i cambiamenti nelle proprietà di fotoluminesceza dovuti alla funzionalizzazione della superficie. Successivamente ho mostrato l'uso dei nanodiamanti come marker luminescenti nelle cellule in vista dello scopo finale di utilizzarli per la misurazione di segnali cellulari. Nella seconda parte (svolta presso l'Università di Ulm, Germania, grazie alla borsa di studio del programma Erasmus Traineeship) ho analizzato le proprietà quanto-ottiche dei centri NV- nel diamante monocristallino e il loro accoppiamento con altri centri e difetti nelle vicinanze, per via della loro migliore efficacia come magnetometri. In particolare, diamante monocristallino impiantato superficialmente con molecole di azoto è stato utilizzato per studiare la struttura iperfine del centro NV-. Lo stato a spin 1 del centro è molto sensibile ai campi magnetici per via dell'effetto Zeeman. La misura del campo magnetico può quindi essere effettuata manipolando lo stato di spin attraverso l'uso di microonde e misurandolo sfruttando le transizioni ottiche sensibili allo spin stesso. Questa tecnica è chiamata risonanza magnetica a rivelazione ottica (ODMR). Usando l'ODMR e altre tecniche di controllo dello spin, ho analizzato la struttura iperfine del centro dovuta all'interazione con lo spin del nucleo di azoto. Inoltre ho studiato la presenza e l'intensità dell'accoppiamento dei centri NV con centri P1 (singoli atomi di azoto) o altri centri NV utilizzando diverse tecniche impulsate che portano il sistema in una sovrapposizione di stati e permettono la rifocalizzazione dei processi di decoerenza più lenti.