Особенности высокочастотной ЭПР/ЭСЭ/ОДМР спектроскопии NV-дефектов в алмазе

Методы высокочастотного электронного парамагнитного резонанса (ЭПР), электронного спинового эха (ЭСЭ) и оптически детектируемого магнитного резонанса (ОДМР) использованы для исследования уникальных свойств азотно-вакансионных дефектов (nitrogen-vacancy NV center) в алмазе в сильных магнитных полях. Показано, что в сильных магнитных полях ($\sim$3–5 T) происходит эффективное оптически индуцированное выстраивание населенностей спиновых уровней, с заполнением уровня $M_{S}$ = 0 и опустошением уровней $M_{S}$ = $\pm$1, что позволило регистрировать ОДМР по изменению интенсивности фотолюминесценции, достигающим 10% в момент резонанса. Продемонстрировано, что эта эффективность имеет тот же порядок, что и в нулевых и низких магнитных полях. Образцы предварительно исследовались методом ОДМР в нулевых магнитных полях, что позволило точно определить основные параметры тонкой структуры и сверхтонкие взаимодействия с ядрами азота, а также диполь-дипольные взаимодействия между NV-центром и глубокими донорами азота в виде атома азота, замещающего углерод, N$^{0}$. В спектрах высокочастотного ОДМР наблюдались сверхтонкие взаимодействия с ближайшими атомами углерода (изотоп $^{13}$C), что открывает возможности для измерения оптическими методами процессов динамической поляризации ядер углерода в сильных магнитных полях. Предполагается, что узкие линии ОДМР в сильных магнитных полях могут быть использованы для измерения этих полей с субмикронным пространственным разрешением. Разработан новый метод регистрации ОДМР NV-центров с модуляцией микроволновой частоты, упрощающий технику измерения высоких магнитных полей. Продемонстрировано значительное увеличение интенсивности сигнала ОДМР при ориентации сильного магнитного поля вдоль оси симметрии NV-центра.