나노다이아몬드 내 질소-공공 중심의 고해상도 바닥상태 고갈 이미징

초록

나노다이아몬드(ND) 내 음전하 질소-공공(NV⁻) 중심은 다른 형광체에 비해 더 나은 광안정성과 생체적합성으로 인해 세포 이미징 응용 분야에서 최근 연구되었습니다. 단일 분자 확률적 국소화 현미경과 유도 방출 고갈(STED) 현미경 같은 아회절 한계 이미징 접근법을 사용하여 ND 내 NV⁻의 20nm 해상도 초해상도 이미징이 수년간 입증되었습니다. 여기서는 탐침 빔, 고갈 빔, 리셋 빔 세 개의 빔을 사용하여 ND 내 이 중심들의 바닥상태 고갈(GSD) 나노스코피를 최초로 시연합니다. 638nm 고갈 빔은 국소 최솟값을 제외하고 모든 곳에서 NV⁻ 중심을 준안정 어두운 상태로 강제하며, 594nm 가우시안 빔은 NV⁻ 중심을 탐침하고 488nm 리셋 빔은 여기 상태를 재채웁니다. 반값전폭(FWHM) 36nm의 단일 NV⁻ 중심 초해상도 이미징이 시연되었으며, 72nm 간격의 두 인접 NV⁻ 중심이 분해되었습니다. GSD 현미경은 벌크 다이아몬드에 비해 훨씬 낮은 광학 파워로 ND 내 NV⁻에 적용되었습니다. 이 작업은 초해상도 이미징 방법에서 ND의 응용을 맞춤화하기 위해 ND 질소 농도를 제어할 필요성을 보여주며 ND 내 NV⁻의 나노스케일 상호작용 연구의 길을 엽니다.

서론

치환성 질소와 이웃한 공공으로 구성된 다이아몬드 내 질소-공공(NV⁻) 중심은 미래 양자 컴퓨터의 양자 메모리[1], 생체 세포 생물의학 이미징[3]과 뉴런 활동[4] 응용을 가진 매우 민감한 자기계[2], 유도 방출 고갈(STED) 현미경과 그 스핀 변형, 바닥상태 고갈(GSD) 현미경의 변형[5-7], 나노미터 스핀 국소화를 가진 단일 분자 확률적 국소화 현미경(SMLM)[8] 등 여러 과학 및 기술 분야에서 폭넓은 관심을 끌었습니다. 특히 형광 현미경에서 회절 한계를 극복하는 방법은 오늘날 생물의학 과학에서 패러다임 변화를 나타내며[9], 다이아몬드 내 NV⁻는 새로운 나노프로브로서 이 분야에서 관련 역할을 했습니다. 다이아몬드의 불활성, 높은 생체적합성, 견고성, 높은 양자 수율의 NV⁻ 광발광 광안정성 덕분에 생물의학 과학과 바이오포토닉스[10, 11], 뇌 현미경[12]뿐만 아니라 나노다이아몬드(ND)로 알려진 나노구조 형태에서도 널리 탐구되었습니다[13, 14]. ND는 호스트 벌크 다이아몬드의 유사한 NV 형광 특성을 유지하면서 생명과학 초해상도 이미징 응용에 더 호환되는 장점을 가집니다[15]. 그러나 현재 대량 생산되는 형광 ND의 모양과 물질 질소 도핑의 불균일성으로 인해 벌크 다이아몬드에 비해 NV의 가변적 특성이 유발되고 종종 다른 불순물을 포함하기 때문에, ND를 사용한 초해상도 이미징은 일반적으로 벌크 다이아몬드보다 더 어렵습니다.

ND에 초해상도 방법을 적용하는 데 있어 더 높은 순도의 벌크 다이아몬드와 비교한 한계는 ND 질소 농도, 전하 트랩, 기타 불순물 농도의 불균일성으로 인한 NV⁻의 광물리적 특성 변동성과 관련이 있습니다.

ND 내 NV⁻ 중심의 나노스케일 이미징은 650mW 이상의 고갈 빔 파워로 20nm 해상도를 달성하는 STED 현미경으로 시연되었습니다[16, 17](벌크에서의 최대 해상도는 몇 3.7GW/cm²로 달성[5]). 그러나 나노스케일 생체 내 세포 이미징의 예에서 광독성을 줄이기 위해 μW 수준의 광학 강도로 나노스케일 해상도를 달성하는 이미징 양식이 필요합니다. ND는 벌크 플랫폼에서는 불가능한 세포 표지가 가능하며, SMLM을 사용한 자기장 초해상도 이미징에 사용되었습니다[18], 이는 STED나 GSD 현미경보다 광독성이 적습니다. 벌크 다이아몬드에서 NV⁻의 이전 GSD 초해상도 이미징은 532nm 고강도 빔으로 중심을 발광 상태로 여기시켜 바닥상태를 고갈시킴으로써 달성되었습니다. 따라서 바닥상태 고갈은 여기 상태를 통해 발생합니다[7]. 그러나 이 접근법도 초해상도 달성을 위해 매우 높은 광학 강도(10nm 미만 해상도 달성을 위해 수 GW/cm²)와 양성 이미지를 얻기 위한 이미지 재구성 알고리즘을 필요로 했습니다[19]. 피코초 펄스 레이저를 사용하여 벌크 다이아몬드에서 NV⁻를 중성 전하 상태(NV⁰, 영포논 라인 575nm)로 전하 변환 유도하는 저전력 초해상도가 달성되었습니다. 이는 전하상태 변환(CSD) 고갈 나노스코피로 알려져 있습니다[20, 21]; 그러나 고갈 빔 평균 전력은 12nm 해상도 달성을 위해 1mW였고 메커니즘은 물질 의존적인 것으로 보입니다. 즉 초저 질소 농도(5ppb 미만[21]), 일반적으로 전자급 화학 기상 증착 벌크 다이아몬드에서 달성됩니다.

NV⁻ 중심의 벌크 다이아몬드에서 GSD 나노스코피에 대한 대체 접근법은 훨씬 낮은 파워로 장수명 준안정 상태를 통해 바닥상태를 고갈시키는 것을 사용했으며, 원래 Ref.[22]에서 제안되었고 Ref.[23]에서 유기 염료 Atto532를 사용한 포유류 세포에서 최초로 시연되었습니다.

GSD의 원리는 투빔 접근법을 통해 형광 표지자의 형광을 비활성화하는 것입니다. 첫 번째 빔은 여기 또는 탐침 빔으로 형광체를 여기 상태로 여기시키고, 두 번째 빔은 억제 빔으로 형광을 끕니다. 형광 비활성화는 형광체 집단을 준안정 상태 또는 장수명 삼중항 상태로 일시적으로 보관함으로써 달성됩니다. 단일항 준안정 상태와 삼중항 상태 간의 광학 전이는 스핀 플립을 필요로 하므로 광학적으로 억제됩니다[23].

Ref.[24]에서 GSD는 CW 적색 레이저(638nm)의 25~200μW 광학 파워로 중심을 지속적으로 펌핑하여 NV⁻를 장수명 준안정 상태에 채워 비형광 상태로 만들고 바닥상태를 고갈시킴으로써 가능해졌으며, 청색 레이저(476nm)는 어두운 준안정 상태를 비워 더 높은 에너지 상태로의 전이를 유도했습니다. 여기에서 638nm 레이저는 중심을 여기시키는 데도 사용되지만(비효율적이더라도) 그 후 준안정 상태로 보관합니다. NV⁻는 청색과 적색 레이저 둘 다로 여기될 때만 발광을 보였습니다. 5mW 고갈 레이저 파워로 16nm 해상도가 달성되었으며, 이는 STED나 이전 GSD에서 사용된 것보다 훨씬 낮습니다. 이 방법의 한 가지 가능한 한계는 질소 함량이 적거나 더 많은 다양한 유형의 다이아몬드, 심지어 ND에서 더 많은 경우 준안정 상태 특성의 의존성으로 인해 적용 가능성이 제한될 수 있다는 것입니다. Ref.[24]에서 벌크 다이아몬드는 타입 IIa 광학급 다이아몬드로 질소 농도 500ppm에 해당하며, 이는 최근 CSD 연구[21]에서 의존하는 저질소 농도(<5ppb)보다 훨씬 높습니다. Ref.[21]에서 Ref.[24]의 어두운 상태가 NV⁻의 중성 전하 상태라는 진술은 높은 질소 농도에서 NV⁻/⁰ 전하 변환이 억제되고[25] NV가 주로 음전하 상태에 있다는 점을 고려하지 않아 어려움을 겪습니다. 또한 측정된 어두운 상태 수명이 매우 길어 전하 변환 과정에 기인할 수 없습니다. 실제로 CSD는 높은 질소 농도, 다른 결함으로 인한 전하 불안정성, 물질 제어 부족으로 인한 광물리적 가변 특성 때문에 상업용 형광 ND(고압 고온 HPHT 다이아몬드 유래)에서 아직 입증되지 않았습니다.

ND 내 NV⁻ 중심의 GSD 나노스코피 확립 메커니즘도 CSD가 ND에서 발생할 수 없다는 가설 때문에 아직 보고되지 않았습니다.

본 논문에서 우리는 ND에서 GSD가 수행될 수 있음을 보이며, GSD와 CSD 방법이 각각 고질소 도핑 및 저질소 도핑 다이아몬드에서 달성됨에 따라 초해상도 및 스핀 센싱 방법을 위한 ND 물질 엔지니어링의 필요성을 촉구합니다.

본 논문에서 우리는 장수명 준안정 상태에 전자를 보관하여 달성된 유사한 온/오프 형광 스위칭 메커니즘을 사용하는 세 빔 접근법과 300μW로 여기 상태를 완전히 고갈시키고 최대 해상도를 달성하여 ND 내 NV⁻ 중심의 GSD 나노스코피를 시연합니다. 여기에서 우리는 ND 내 NV⁻ 특성이 이전에 생각했던 것처럼[24] 이 방법의 적용성을 제한하지 않음을 보입니다. 또한 이전에 SMLM[26]과 STED 현미경[17]에서 보인 것처럼 동일한 ND 내 두 NV⁻ 중심을 구별할 수 있었습니다.

우리 작업에서 바닥상태 고갈 메커니즘이 CSD가 아닌 장수명 준안정 상태에 기인함을 입증하기 위해 NV⁻/⁰ 전하 상태 변환과 관련한 최근 주요 결과를 요약하겠습니다. 이 점에서 광유도 이온화, NV⁻/⁰ 전하 상태의 재결합은 여기 파장 의존적임이 철저히 연구되어 발견되었습니다[27, 28]. 적색(또는 청색) 레이저 여기로 전하 상태 스위칭이 발생하며, 적색 여기는 NV⁻를 중성 전하 상태로 스위칭하는 데 사용됩니다. 낮은 레이저 파워에서 발생하는 이 빠른 스위칭은 전하상태 고갈 나노스코피[21]와 확률적 광학 재구성 나노스코피[8] 구현에 사용되었으나, 질소 농도가 잘 제어되고 일반적으로 저온 성장으로 인해 매우 낮은 화학 기상 증착 성장 벌크 다이아몬드에서만 가능했습니다. NV⁻/⁰ 전하 변환에 기반한 여기 파장에 따른 이 스위칭 역학은 ND에서 관찰되지 않았습니다[18, 26, 29]. ND에서 깜빡임은 제작 공정 중 기계적 손상(일반적으로 고질소 농도 HPHT 마이크로다이아몬드 파쇄)에 의한 전하 트랩이나 산화[26, 29-31] 또는 다른 수용체 불순물과의 근접성[18, 32]과 관련된 다른 효과 때문이며, NV⁻/⁰ 전하 변환과는 관련이 없습니다. 또한 NV⁻ 전하 변환은 다이아몬드 격자 내 전자 공여체 불순물 농도, 즉 질소 농도에 강하게 의존함이 입증되었습니다[25]. 음전하 상태의 중성 전하 상태로의 변환은 높은 공여체 불순물(질소) 농도에서 억제됩니다. 실제로 공여체와 수용체를 다이아몬드에 사용하여 NV 전하 상태를 안정화하는 것이 제안되었습니다[33]. 이러한 연구 대부분은 벌크 다이아몬드에서 수행되었으며, 최근 연구[34]만이 저온에서의 ND 성장이 더 낮은 질소 혼입을 허용하여 ND가 적색(또는 청색) 레이저 여기에 강한 전하 상태 스위칭을 가진 순수 벌크 다이아몬드처럼 행동함을 보였습니다. 반면 고온 성장은 더 많은 질소 불순물을 혼입시켜 이 전하 변환을 크게 억제합니다.

우리 ND에서는 레이저 파장 여기로 인한 NV⁻/⁰ 전하 변환을 관찰하지 못했으며, 이전에 수행한 것처럼[24] 어두운 상태를 준안정 상태에 기인한다고 봅니다. 특히 여기 사용된 ND의 큰 크기(~100nm)로 표면 전하 상태에 의한 깜빡임이 없고, 더 중요하게는 높은 질소 농도 때문입니다. 여기 연구된 ND는 최소 불균일 500ppm 질소 농도의 HPHT 마이크로다이아몬드에서 상업적으로 유래했습니다. Ref.[24]의 준안정 상태는 150s의 매우 긴 수명으로도 입증됩니다.

NV⁻ 중심은 일반적으로 532 또는 561nm로 가장 잘 여기되며, 637nm에서 영포논 라인을 가집니다[35]. 이는 삼중항 바닥상태와 여기 상태 간의 전이에 해당하며, 주로 스핀 보존 전이입니다. 또한 단일항 준안정 상태가 존재합니다[36]. 중심은 비복사 붕괴를 통해 이를 경유합니다. ND 내 NV⁻의 광학 전이 수명은 벌크 다이아몬드의 12ns[35]에 비해 약 22ns입니다[37].

594nm 여기(탐침) 빔은 바닥상태에서 여기 상태로의 전이를 촉진하는 반면, 638nm 고갈 빔은 비복사 성간 교차를 통해 NV⁻ 중심의 전자를 여기 상태에서 준안정 상태로 일시적으로 보관합니다(그림 1a). 594nm를 탐침으로 사용하는 것은 녹색(보통 532 또는 561nm)에 비해 어두운 상태 인구를 최소하게 변경하기 때문에 정당화됩니다[24]. 이 방법은 성간 교차를 효과적으로 포화시키고 바닥상태를 비워 594nm로 탐침할 때 NV⁻ 중심의 여기 상태로의 여기와 후속 형광 방출을 방지합니다. 마지막으로 488nm 청색 레이저는 여기 상태를 재채워 이후 빠른(ns) 바닥상태로의 붕괴를 억제합니다[38].

STED와 유사하게 고갈 빔은 횡단면에서 도넛 빔으로 공간적으로 엔지니어링되어 초해상도 이미징을 달성합니다[24]. GSD 나노스코피의 해상도 d는 식 (1)을 따릅니다[23]:

$$d \approx \frac{\lambda }{{[2\left( {NA} \right)\sqrt {1 + I_{{\text{D}}}^{\max } /I_{{\text{s}}} ]} }}$$ (1)

여기서 NA는 대물렌즈 수치구개, \(I_{{\text{s}}}\)는 형광의 절반이 고갈되는 포화 강도, \(I_{{\text{D}}}^{\max }\)는 제로를 경계로 하는 피크의 최대 강도 값입니다.

우리는 고갈 빔 강도에 의존하는 ND 내 단일 NV⁻ 중심의 36nm 이미징 해상도를 측정했습니다. 또한 72nm 간격의 두 NV⁻ 중심이 분해되었습니다. 우리 작업은 NV⁻ 중심을 포함하는 ND를 생체표지자로 사용한 생세포 내 형광 나노스코피에 유망합니다.

실험 방법

이 실험을 위해 명목상 100nm 크기의 고압 고온(HPHT) ND 현탁액[39, 40]을 산 세척 후 MilliQ 용액에 희석하여 사용했습니다. 20µl ND 용액(1:200 MilliQ 물 희석)을 산소 플라즈마 애셔로 세척된 붕규산 커버슬립에 드롭 캐스팅하고 공기 중 건조했습니다[37]. GSD 나노스코피 실험 설정은 488nm와 638nm 파장의 두 연속파 다이오드 레이저와 594nm 파장의 연속파 헬륨-네온(HeNe) 레이저로 구성된 자체 제작 공초점 현미경으로 이루어졌습니다. 각 빔 경로에 음향광학 변조기(AOM)를 설치하여 연속 광빔에서 광펄스를 생성하고 서로에 대해 동기화했습니다. AOM을 통과한 후 공간 필터가 공간 빔 프로파일을 정리했습니다. 이차 렌즈가 각 빔을 추가 전파를 위해 콜리메이트했습니다. 먼저 488nm와 638nm 파장 레이저 빔을 532nm 장파장 패스 레이저 평면 다이크로익(Semrock-LPD01 532R)을 사용하여 공간적으로 중첩했습니다. 이차 다이크로익(Semrock-R405/488/543/638)이 488nm와 638nm 파장을 반사하고 594nm 파장을 투과시켜 세 빔을 모두 공간적으로 중첩했습니다. 638nm 파장 고갈 빔의 공간 빔 프로파일은 위상판을 사용하여 도넛 빔으로 엔지니어링되었습니다. 또한 대물렌즈 앞에 1/4파장판을 배치하여 고갈 빔의 원편광을 보장했습니다. 고수치구개(NA=1.4) 오일 침지 대물렌즈를 사용하여 ND를 이미징했습니다. 다이크로익(Semrock-LP02-671RU-25)이 NV⁻ 중심의 형광을 여기 파장에서 분리하여 단일 모드 광섬유(핀홀 역할을 함)를 통해 단일광자 눈사태 다이오드(SPCM-AQRH-14FC) 검출기로 리디렉션했습니다. 광학 설정의 개략적 표현은 그림 1b에 표시되어 있습니다.

평균 크기 40nm의 금 나노입자를 유리 커버슬립에 드롭 캐스팅하고 이미징하여 고갈 빔의 공간 프로파일을 조사했습니다. 중심에 국소 최솟값을 가진 고강도 링의 도넛 모양 점 확산 함수가 관찰되었습니다(그림 1b 인셋).

우리는 먼저 각 레이저 펄스의 시간적 반응을 조사했습니다. AOM은 멀티채널 펄스 발생기(PulseBlasterESR-PRO)를 사용하여 LabVIEW로 제어되며, 각 레이저 빔의 개별 시간적 특성과 세 빔 간의 타이밍을 제어합니다. 각 레이저의 광학 경로 길이 차이로 인해 동시에 생성된 광펄스는 검출기에서 약간 어긋난 도착 시간을 가집니다. 이는 서브마이크로초 시간 척도에서 세 레이저 빔 모두에 대한 시간적 제어를 가능하게 합니다.

여기 빔에 대해 60ns 상승 및 하강 시간이 측정되었습니다(그림 1c). 594nm와 638nm 파장의 광펄스는 488nm 파장 펄스에 대해 각각 85ns와 155ns 분리되어 도착했습니다. 각 레이저 펄스는 NV⁻ 중심, ND 내 기타 불순물, 유리 커버슬립 내 결함 등 여러 소스에서 기원하는 형광을 생성합니다. 여기 빔에 의해 생성된 형광만 GSD 이미징에 관련됩니다. 다른 레이저 펄스에서의 형광은 형광 이미지의 노이즈에 기여합니다. 따라서 시간 게이팅을 도입하여 탐침 빔 이외의 레이저 펄스에 의해 생성된 형광을 제거했습니다. 이는 탐침 빔의 펄스 도착 시간으로 검출을 게이팅하여 다른 형광 소스를 효과적으로 필터링하고 이미징의 신호대잡음비를 증가시킴으로써 달성됩니다.

GSD 나노스코피의 전형적인 펄스 시퀀스와 검출 윈도우는 그림 1d에 나와 있습니다. 638nm 파장의 고갈 펄스로 전자를 장수명 상태에 보관하여 NV⁻ 중심 형광을 껐습니다. 594nm 파장의 펄스로 서브회절 영역 내 NV⁻ 중심 여기을 제공했으며, 488nm 파장 펄스로 NV⁻ 중심을 여기 상태로 리셋했습니다. 펄스 시퀀스는 500~1000회 반복하여 높은 신호대잡음비를 보장했습니다. 펄스 길이는 탐침 빔(594nm)과 리셋 빔(488nm)에 대해 10~20μs 범위였습니다. 고갈 빔의 최적 펄스 길이는 ~300μs로 발견되었습니다(그림 2d). 빔 펄스 지속시간 최적화는 Ref.[24]에 기반했으나, 최종 해상도 개선을 위해 더 체계적인 최적화가 수행되어야 합니다. 해상도가 억제 빔 펄스 지속시간에 의존할 것으로 예상되며, 이는 준안정 상태 수명으로 제한됩니다.

결과 및 논의

온/오프 스위칭 메커니즘은 638nm와 488nm 파장의 레이저 소스 하에서 NV⁻ 중심을 여기시켜 조사했습니다(그림 2a). 두 빔이 공간적으로 중첩될 때만 NV⁻ 중심의 형광 방출 증가가 검출되었습니다. 이 방출 행동은 638nm 파장 빔이 전자를 장수명 상태에 선호적으로 보관하는 반면 488nm 빔이 자발 방출을 허용한다고 가정하여 이해되었습니다(그림 1a). 우리는 ND에 대한 유일한 측정이 33~127ns(Ref.[38])인 반면 단일항 상태 전이는 300ns[41]인 NV⁻ 중심의 장수명 상태 수명이 벌크 다이아몬드의 준안정 상태 수명(측정 150s)[24]보다 짧고 여기 상태 수명[37]보다 훨씬 길다고 가정했습니다.

반버칭(그림 2c) 측정을 사용하여 단일 NV⁻ 중심을 선택하여 도넛 모양에서 형광을 효과적으로 소멸시키는 데 필요한 고갈 빔 파워를 연구했습니다[42]. 594nm 파장 빔을 추가하여 단일 NV⁻ 중심이 온 상태인지 오프 상태인지 탐침했습니다. 그림 2b는 선택된 NV⁻ 중심의 고갈 빔 강도에 따른 형광 의존성을 보여줍니다. 형광의 급격한 감소가 관찰되었습니다. 151.2μW 고갈 파워에서 NV⁻ 중심이 효과적으로 꺼졌습니다.

우리 지식으로는 최초로 ND에 적용된 GSD 나노스코피를 단일 NV⁻ 중심의 초해상도 이미징에 시연합니다.

GSD를 통한 초해상도 달성을 위해 집속된 여기 빔으로 커버된 모든 방출체가 도넛 모양 고갈 빔의 중첩으로 중심을 장수명 어두운 상태로 전이시켜 서브회절 크기 영역을 제외하고 일시적으로 꺼집니다. 얻은 해상도는 중심이 "온" 상태인 초점 평면의 프로파일로 정량화될 수 있으며, 식 (1)에 따라 스케일링됩니다. 여기서 \(I_{s}\)는 관여 상태 수명과 광학 스위치오프 전이의 억제 단면적에 반비례하여 스케일링됩니다[43, 44].

그림 3a는 ND 내 단일 NV⁻ 중심의 초해상도 형광 이미지를 보여줍니다(그림 2c). 반값전폭(FWHM)은 x방향 57nm, y방향 42nm입니다(그림 3c).

고갈 파워와 해상도 간의 관계는 그림 3b에 표시되어 있습니다. 이론 곡선은 식 (1)에 기반합니다. 실험 데이터에서 NV⁻ 중심 형광을 억제하는 데 필요한 추가 파워는 ND 호스트의 국소 환경과 벌크에 비해 더 짧은 준안정 상태 수명[38]에 기인한 것으로 보입니다. 최대 해상도 42nm가 2.2mW에서 달성된 반면, Ref.[24]에서는 16mW로 12nm 해상도가 달성되어 고갈 빔의 피크 강도 12MW/cm²에 해당했습니다.

또한 우리는 GSD 나노스코피를 적용하여 두 개의 가까이 이격된 NV⁻ 중심의 나노스케일 이미징을 시연했습니다. 그림 4a는 NV⁻ 중심의 공초점 이미지를 보여줍니다. GSD 나노스코피 하에서 두 단일 NV⁻ 중심이 나노스케일 해상도로 이미징되었습니다(그림 4b). 두 NV⁻ 중심 간 중심-중심 거리는 72nm입니다(그림 4c). y방향에서 분해된 두 NV⁻ 중심의 FWHM은 각각 36nm(그림 4d)와 38nm입니다(그림 4e). ND 장축과 분해된 NV⁻ 중심 간의 정렬 오차는 공초점 이미지 스캐닝 중 기계적 드리프트에 기인한다고 보았습니다.

결론

본 연구에서 우리는 나노다이아몬드 내 NV⁻ 중심의 준안정 상태를 사용한 GSD 나노스코피를 구현하여 NV⁻ 중심의 초해상도 이미징을 보였습니다. FWHM 36nm로 단일 NV⁻ 중심이 분해되었습니다. 고갈 빔 강도에 대한 해상도 스케일링도 보여주며, 최대 초해상도는 2.2mW 고갈 파워로 달성되었습니다. 또한 72nm 간격의 두 NV⁻ 중심이 분해되었습니다. 이 결과는 가까이 이격된 NV⁻ 중심 간 쌍극자 결합 조사[45], NV⁻ 스핀 특성 기반 고공간 분해능 양자 센싱[6, 18, 46-48], 벌크 다이아몬드 기반 다기능 센싱 응용[49]을 ND로 확장[50]하는 가능성을 엽니다.

본 논문에서 우리는 다이아몬드 질소 농도가 초해상도를 위한 GSD와 CSD 메커니즘의 기초이며, 각각 고질소 도핑 및 저질소 도핑 다이아몬드에서 달성됨을 보였습니다. 따라서 특정 방법에 따른 엔지니어링된 ND가 따라야 합니다. CSD가 저질소 농도로 인해 스핀 센싱에 더 쉽게 적용될 수 있음을 이해하지만, NV⁰ 전하 상태는 CSD의 양자 센싱 특성을 제한할 것이며, 질소 이외의 다른 공여체로 NV⁻ 전하 상태를 안정화하면 GSD를 스핀 양자 센싱에 적용했을 때 훨씬 높은 감도를 가져올 수 있습니다.

ND 내 NV⁻ 중심의 GSD 나노스코피는 벌크 다이아몬드에 비해 낮은 파워(~300μW)의 광학 강도를 사용하며 생물학적 시료에 더 적합합니다. GSD 해상도는 최적 질소 도핑 결정[34], 표면 패시베이션 및 기타 불순물이 ND 내 NV⁻ 준안정 상태 수명에 미치는 영향 연구, 광발광 불순물이 적은 ND 엔지니어링으로 개선될 수 있습니다.

스핀 센싱 측면에서 현재 상업용 ND(HPHT 및 고질소 함량 마이크로다이아몬드 유래)의 높은 질소 농도는 광학 검출 자기공명 대비 감소로 스핀 감도를 제한합니다[34]. 따라서 디코히어런스 도입 없이 NV⁻ 전하 상태를 안정화하기 위해 다른 도펀트를 고려해야 합니다[50, 51].

마지막으로 이 방법을 마이크로파 여기[18, 52-54]와 결합하면 현재 ND 물질 특성이 이 응용을 위해 더 잘 엔지니어링될 수 있다면 생명과학에서 초해상도 광학 자기 이미징을 위한 대체 접근법을 제공할 수 있습니다.

데이터 및 자료 가용성

현재 연구 동안 사용 및/또는 분석된 데이터셋은 합리적 요청 시 교신저자로부터 이용 가능합니다.

약어

NDs:

나노다이아몬드 (Nanodiamonds)

NV:

질소-공공 (Nitrogen-vacancy)

STED:

유도 방출 고갈 (Stimulated emission depletion)

GSD:

바닥상태 고갈 (Ground-state depletion)

CSD:

전하상태 고갈 (Charge-state depletion)

FWHM:

반값전폭 (Full width at half maximum)

HPHT:

고압 고온 (High pressure and high temperature)

AOM:

음향광학 변조기 (Acousto-optic modulator)