ИСТИНА

Центр окраски азот—вакансия (NV-центр) в кристаллической решетке алмаза является уникальной твердотельной квантовой системой, обладающий оптически поляризуемым спином при комнатной температуре. Инициализация, управление и считывание спина электрона такого дефекта лазерным излучением позволяет методами фотоники манипулировать квантовой системой. Уникальные физические свойства системы привели к реализации протоколов квантовой сеснорики на основе NV-центров в алмазной решетке при комнатной температуре. Не смотря на широкую область применения NV-центров в фотонике и сенсорике, существует ряд не решенных фундаментальных вопросов об устройстве квантовой системы. В рамках данного проекта планируется исследовать вопрос гашения флуоресценции NV-центров в микрокристаллах алмаза под действием интенсивного инфракрасного излучения и нагрева. Будет исследована возможность разделения вкладов различных физических воздействий на уменьшение эффективность флуоресценции NV-центров. Будет исследовано влияние концентрации дефектов азот—вакансия в кристаллах алмаза на динамику и эффективность гашения флуоресценции при оптической накачке и инфракрасном излучении. Также в проекте поставлены задачи выявления фундаментальных ограничений чувствительности квантовых сенсоров на основе центров окраски азот—вакансия с оптически поляризуемым спином под действием внешних факторов: интенсивное оптическое и микроволновое излучение, нагрев системы. Будут развиты методы восстановления пространственного распределения температуры при проведении нелинейно-оптических техник микроскопии в тканях живых животных. Вовлечение в междисциплинарное исследование развитых в научной группе методик волоконной оптики, нелинейно-оптической микроскопии, опто- и термогенетики позволит очертить новые области применения разрабатываемого сенсора температуры и магнитного поля на основе NV-центров в нано- и микрокристаллах алмазах.

Nitrogen-vacancy center (NV-center) in the crystal lattice of the diamond is a unique solid-state quantum system having optical polarizability spin at room temperature. Initialization, management and reading of the defect electron spin laser techniques allow photonics to manipulate the quantum system. The unique physical properties of the system led to the implementation of protocols based on quantum sesnoriki NV-centers in the diamond lattice at room temperature. Despite the broad scope of the NV-center in photonics and sensor, there are a number of unsolved fundamental questions about the structure of the quantum system. The project is planned to investigate the fluorescence quenching NV-centers in diamond microcrystals with intense infrared radiation and heat. It will explore the possibility of separating the contributions of various physical effects on the reduction in the efficiency of the fluorescence NV-centers. It will study the effect of the concentration of nitrogen-vacancy defects in diamond crystals on the dynamics and efficiency of fluorescence quenching of optical pumping and infrared radiation. Also in the project set targets to understand the fundamental sensitivity limits of quantum sensors color centers through the nitrogen-vacancy spin optically polarizable under the influence of external factors: the intensity of optical and microwave radiation heating system. There are developed methods of reconstruction of the spatial distribution of temperature during the nonlinear optical microscopy techniques in the tissues of living animals. Involvement in interdisciplinary research developed in the scientific group techniques of fiber optics, nonlinear optical microscopy, wholesale and termogenetiki allow to outline new areas of application of the developed sensor temperature and magnetic field based on the NV-centers in nano- and microscopic diamonds.

I. Исследование влияния на характеристики квантового сенсора температуры и магнитного поля на основе микрокристаллов алмаза с центрами окраски азот-вакансия, обладающие оптически поляризуемым спином, интенсивного лазерного излучением инфракрасной области спектра и нагрева алмаза: 1. Реализация одновременного измерения температуры и спектра флуоресценции NV-центра в кристаллической решетке микроалмаза при оптической накачке триплетного уровня 3E излучением в видимой части спектра и гашении флуоресценции интенсивным инфракрасным излучением. 2. Разделение вкладов в гашение флуоресценции NV-центров с оптически поляризуемым спином в кристаллической решетке микроалмаза с концентрацией дефектов 1017-1019 см-3 непосредственно нагрева и безизлучательного переноса инфракрасным излучением части населенности с возбужденного триплетного состояния 3E в метастабильное синглетное состояние 1A. 3. Определение интенсивности насыщения инфракрасного излучения, приводящее к падению флуоресцентного отклика NV-центров в кристалле алмаза в 2.7 раза по сравнению со случаем отсутствия ИК-накачки. 4. Определение интенсивности ИК излучения, при которой микроалмаз с NV-центрами разрушается. Исследование влияния размера кристалла алмаза, концентрации дефектов и длины волны ИК излучения на максимальную интенсивность. 5. Исследование процесса ионизации отрицательно заряженных NV---центров и формирования электрически нейтральных NV0-центров в микрокристалле алмаза при наличии интенсивного инфракрасного излучения. 6. Исследование при помощи квантового сенсора на основе микроалмаза с NV-центрами пространственного профиля температуры ткани живого животного при проведении методики многофотонной микроскопии II. Разработка и применение методики измерения распределения температуры с высоким пространственным разрешением в живых животных при использовании нано- и микрокристаллов алмазов с дефектами типа азот-вакансия с оптически поляризуемым спином. III. Выявление физических принципов работы и фундаментальных ограничений чувствительности разрабатываемого размыкаемого волоконно-оптического гибридного сенсора-датчика на основе микроалмаза на конце световода с центрами окраски типа азот-вакансия для проведения долговременного мониторинга температуры в глубоких слоях тканей живых животных.

Имеющийся у группы задел по предлагаемому проекту включает следующие научные результаты и разработанные методы: I. Развиты методы, подходы и инструменты для работы с твердотельными квантовыми системами на основе кристаллов алмаза с включениями NV-центров: - разработан гибридный волоконный зонд для регистрации и управления спина NV-центров алмаза; - создан сенсор на базе NV-центров в алмазе на конце световода для регистрации температуры с субклеточным пространственным разрешением; - разработаны инструменты для реализации полностью волоконно-оптического протокола регистрации люминесценции NV-центров наночастиц алмаза на базе микроструктурированных световодов. - исследована эффективность и разрешающая способность волоконного сбора люминесценции NV-центров алмаза в тканях мозга мыши при однофотонном и многофотонном методах зондирования II. Активно применяются и развиваются методики нелинейно-оптической многофотонной микроскопии живых объектов: - разработана и реализована компактная лазерная система для мультимодальной многофотонной микроскопии тканей мозга - развитие методик микроскопии когерентного комбинационного рассеяния света высокого спектрального разрешения биологических объектов - экспериментальная реализация методов микроскопии второй и третьей гармоники, на примере визуализации ядер нейронов гиппокампа и визуализации одиночных маркерных наночастиц III. Опыт экспериментальной работы с живыми системами: - Измерения уровня экспрессии генетически встроенных маркерных красителей в живых свободноподвижных животных методами многофункциональной эндоскопии. Есть опыт работы с мышами линии Zif-EGFP, линии Fos-EGFP, линии Thy1-EGFP. Измерения проводились с помощью стандартных одномодовых и многомодовых волокон, а также пучков, состоящих из нескольких тысяч волокон . - Визуализация и исследование нейронной активности в верхних слоях мозга живых анестезированных животных с помощью метода двухфотонной флуоресцентной микроскопии.

Определены интенсивности ИК излучения, при которой микроалмаз с NV-центрами разрушается. Исследовано влияние размера кристалла алмаза, концентрации дефектов и длины волны ИК излучения на максимальную интенсивность. Исследованы процесса ионизации отрицательно заряженных NV---центров и формирования электрически нейтральных NV0-центров в микрокристалле алмаза при наличии интенсивного инфракрасного излучения. Исследованы при помощи квантового сенсора на основе микроалмаза с NV-центрами пространственные профили температуры ткани живого животного при проведении методики многофотонной микроскопии