Nanoscopie de déplétion à l'état du sol des centres de manque d'azote dans les nanodiamants

Introduction

Le centre de lacune d'azote (\({\text{NV}}^{ - }\)) dans le diamant, constitué d'azote de substitution avec une lacune voisine, a suscité un grand intérêt dans plusieurs domaines scientifiques et technologiques, parmi les plus notables comme une mémoire quantique dans les futurs ordinateurs quantiques [1], un magnétomètre très sensible [2] avec des applications dans l'imagerie biomédicale des cellules vivantes [3] et de l'activité des neurones [4], et comme sonde à l'échelle atomique dans diverses méthodes d'imagerie à super-résolution tels que la microscopie à déplétion par émission stimulée (STED) et sa variante de spin, une variante de la microscopie à déplétion à l'état fondamental (GSD) [5,6,7] et la microscopie à localisation stochastique à molécule unique (SMLM) avec localisation de spin nanométrique [8]. En particulier, les méthodes dépassant la limite de diffraction en microscopie à fluorescence représentent un changement de paradigme dans la science biomédicale d'aujourd'hui [9] et \({\text{NV}}^{ - }\) dans le diamant a joué un rôle important dans ce domaine en tant que nouvelle nanosonde. En raison de l'inertie du diamant, de la biocompatibilité élevée, de la robustesse et de la photo-stabilité de la photoluminescence \({\text{NV}}^{ - }\) avec un rendement quantique élevé, il a été largement exploré pour des applications en science biomédicale et bio-photonique [10, 11] et en microscopie cérébrale [12] également sous sa forme nanostructurée connue sous le nom de nanodiamants (NDs) [13, 14]. Les ND conservent des propriétés de fluorescence NV similaires du diamant en vrac hôte avec l'avantage d'être plus compatibles pour les applications d'imagerie à super-résolution des sciences de la vie [15]. Cependant, en raison de l'inhomogénéité des formes et du dopage à l'azote des matériaux ND fluorescents actuellement produits en masse, induisant des propriétés variables du NV par rapport au diamant en vrac et hébergeant souvent d'autres impuretés, l'imagerie en super-résolution utilisant les ND est généralement plus difficile que le diamant en vrac .

Les limites de l'application des méthodes de super-résolution aux ND par rapport au diamant en vrac de meilleure pureté sont associées à la variabilité des propriétés photo-physiques du \({\text{NV}}^{ - }\) en raison de l'inhomogénéité de l'azote des ND concentration, pièges à charge et autres concentrations d'impuretés.

L'imagerie à l'échelle nanométrique des centres \({\text{NV}}^{ - }\) dans les ND a été démontrée avec la microscopie STED avec une puissance de faisceau d'appauvrissement de > 650 mW pour atteindre une résolution de 20 nm [16, 17] (la la résolution en masse a été obtenue avec quelques 3,7 GW/cm ² [5]); cependant, une modalité d'imagerie qui atteint une résolution à l'échelle nanométrique avec des intensités optiques de l'ordre de μW est nécessaire, par exemple, l'imagerie cellulaire in vivo à l'échelle nanométrique pour réduire la phototoxicité. Les ND ont l'avantage de permettre le marquage cellulaire, ce qui n'est pas possible avec la plate-forme en vrac et a été utilisé pour l'imagerie en super-résolution du champ magnétique en utilisant SMLM [18], qui est moins phototoxique que la microscopie STED ou GSD. L'imagerie précédente en super-résolution de \({\text{NV}}^{ - }\) dans du diamant en vrac à l'aide de GSD a été obtenue en appauvrissant son état fondamental à l'aide d'un faisceau à haute intensité de 532 nm excitant les centres à l'état luminescent ; par conséquent, l'épuisement de l'état fondamental se produit via l'état excité [7]. Cependant, cette approche nécessitait également des intensités optiques très élevées pour atteindre une super-résolution (plusieurs GW/cm ² pour atteindre une résolution  < 10 nm) et un algorithme de reconstruction d'imagerie pour obtenir une image positive [19]. Une super-résolution de faible puissance a été obtenue en utilisant un laser pulsé picoseconde induisant la conversion de charge de \({\text{NV}}^{ - }\) en son état de charge neutre (\({\text{NV}}^{0 }\) avec une ligne de zéro phonon à 575 nm) dans du diamant en vrac, connue sous le nom de nanoscopie à déplétion à conversion d'état de charge (CSD) [20, 21] ; cependant, la puissance moyenne du faisceau d'épuisement était de 1 mW pour atteindre une résolution de 12 nm et le mécanisme semble dépendre du matériau, c'est-à-dire une concentration en azote ultra-faible (inférieure à 5 ppb [21]), généralement obtenue par dépôt chimique en phase vapeur de qualité électronique diamant en vrac.

Une approche alternative à la nanoscopie GSD des centres \({\text{NV}}^{ - }\) dans le diamant en vrac a utilisé l'état sombre métastable pour épuiser l'état fondamental en utilisant une puissance beaucoup plus faible via un état métastable à longue durée de vie, comme à l'origine proposé en Réf. [22] et démontré pour la première fois dans la réf. [23] dans une cellule de mammifère en utilisant le colorant organique Atto532.

Le principe du GSD est la désactivation de la fluorescence d'un marqueur fluorescent par une approche à deux faisceaux. Le premier faisceau est le faisceau d'excitation ou sonde, qui excite le fluorophore à l'état excité, et le deuxième faisceau est le faisceau d'inhibition, qui éteint la fluorescence. La désactivation de la fluorescence est obtenue en transférant de manière transitoire la population d'un fluorophore à un état métastable ou à un état triplet à longue durée de vie. Les transitions optiques entre les états métastables singulet et les états triplet nécessitent un spin flip et sont donc optiquement supprimées [23].

Dans Réf. [24], le GSD a été activé en pompant en continu le centre de 25 à 200 μW de puissance optique à partir d'un laser rouge CW (638 nm) qui amène le \({\text{NV}}^{ - }\) dans un non- état fluorescent en peuplant son état métastable à longue durée de vie, appauvrissant ainsi son état fondamental, tandis qu'un laser bleu (476 nm) a été utilisé pour vider l'état métastable sombre induisant des transitions vers des états d'énergie plus élevés. Ici, le laser à 638 nm est également utilisé pour exciter le centre même si ce n'est pas efficacement, puis pour le ranger dans son état métastable. \({\text{NV}}^{ - }\) a montré une luminescence uniquement lorsqu'il est excité avec des lasers bleu et rouge. Une résolution de 16 nm a été obtenue avec une puissance laser de 5 mW, ce qui est bien inférieur à celui utilisé dans le STED ou le GSD précédent. Une limitation possible de cette méthode pourrait être la dépendance des propriétés de l'état métastable de différents types de diamant avec moins ou plus de teneur en azote, voire plus en ND, limitant son applicabilité. Dans Réf. [24], le diamant en vrac était un diamant de qualité optique de type IIa, ce qui correspond à une concentration en azote de 500 ppm, bien supérieure aux travaux plus récents sur le CSD [21], qui repose sur une faible concentration en azote (< 5 ppb) . La déclaration rapportée dans la réf. [21] que l'état sombre de Réf. [24] est l'état de charge neutre du \({\text{NV}}^{ - }\) souffre de ne pas considérer qu'à haute concentration d'azote le NV ^−/0 la conversion de charge est supprimée [25] et NV est majoritairement dans son état de charge négative; de plus, la durée de vie mesurée de l'état sombre est très longue et ne peut être attribuée à un processus de conversion de charge. En fait, le CSD n'a pas encore été prouvé dans les ND fluorescentes commerciales (dérivé de haute pression et haute température, HPHT, diamant) en raison de leur forte concentration en azote, de l'instabilité de la charge due à d'autres défauts et des propriétés photo-physiques variables dues au manque de contrôle du matériel.

Le mécanisme permettant d'établir la nanoscopie GSD n'a pas encore été signalé avec les centres \({\text{NV}}^{ - }\) dans les ND en raison de l'hypothèse que la CSD ne pourrait pas se produire dans les ND.

Dans cet article, nous montrons que la GSD peut être effectuée dans les ND, prouvant la dépendance des méthodes GSD et CSD vis-à-vis de la concentration en azote du diamant et incitant à la nécessité d'une ingénierie des matériaux ND pour des méthodes spécifiques de super-résolution et de détection de spin.

Dans cet article, nous démontrons la nanoscopie GSD des centres \({\text{NV}}^{ - }\) dans les ND en utilisant un mécanisme de commutation fluorescent marche/arrêt similaire obtenu en mettant les électrons à l'écart dans l'état métastable de longue durée à l'aide d'un approche à trois faisceaux et en utilisant 300 μW pour épuiser complètement l'état excité et atteindre la résolution maximale. Ici, nous montrons que les propriétés du \({\text{NV}}^{ - }\) dans les ND ne limitent pas l'applicabilité de cette méthode, comme on le pensait précédemment [24]. De plus, nous avons pu distinguer deux centres \({\text{NV}}^{ - }\) dans les mêmes ND, comme indiqué précédemment en utilisant SMLM [26] et la microscopie STED [17].

Pour prouver que le mécanisme d'épuisement de l'état fondamental dans notre travail est dû à un état métastable à vie sombre plutôt qu'à CSD, nous résumerons les principaux résultats récents en relation avec la NV ^−/0 conversion d'état de charge. A cet égard, pour l'ionisation photo-induite, la recombinaison de la NV ^−/0 les états de charge ont été minutieusement étudiés et se sont avérés dépendants de la longueur d'onde d'excitation [27, 28], avec une commutation d'état de charge pour l'excitation laser rouge (ou bleue), avec une excitation rouge utilisée pour commuter la NV ⁻ dans son état de charge neutre. Cette commutation rapide se produisant à faible puissance laser a été utilisée pour la mise en œuvre de la nanoscopie à appauvrissement de l'état de charge [21] et de la nanoscopie à reconstruction optique stochastique [8] uniquement dans le diamant en vrac cultivé par dépôt chimique en phase vapeur, où la concentration en azote est bien contrôlée et généralement très faible. en raison de la croissance à basse température. Cette dynamique de commutation due à la longueur d'onde d'excitation basée sur la conversion de l'état de charge de la NV n'a pas été observée dans les ND [18, 26, 29], où le clignotement était dû à des pièges de charge produits par des dommages mécaniques pendant le processus de fabrication (généralement écrasement HPHT à haute teneur en azote concentration microdiamants) ou d'autres effets associés à l'oxydation [26, 29, 30, 31] ou à la proximité avec d'autres accepteurs d'impureté [18, 32], et en tant que tels non liés à NV ^−/0 conversion de charges. Il a également été démontré que NV ⁻ la conversion de charge dépend également fortement de la concentration d'impuretés donneurs d'électrons dans le réseau de diamant, à savoir la conversion d'état négatif en état de charge neutre est supprimée pour une concentration élevée d'impuretés donneurs (azote) [25]. Il a en effet été proposé d'utiliser des donneurs et des accepteurs dans le diamant pour stabiliser l'état de charge NV [33]. La plupart de ces études ont été menées dans du diamant en vrac et seul un travail récent [34] a montré que la croissance des ND à basse température permet une incorporation d'azote plus faible, et en tant que tels, les ND se comportent comme du diamant en vrac pur avec une forte commutation d'état de charge pour le rouge ( ou bleu), tandis que la croissance à haute température incorporant plus d'impuretés d'azote supprime de manière significative cette conversion de charge.

Dans nos ND, nous n'avons pas observé de NV ^−/0 conversion de charge due à l'excitation de la longueur d'onde laser, et nous attribuons effectivement l'état sombre à l'état métastable comme précédemment [24], également au vu de la grande taille des ND ici utilisés (~ 100 nm), sans clignotement dû à la surface états de charge, en plus, plus important encore, de leur forte concentration en azote. Les ND ici étudiés sont commercialement dérivés de microdiamants HPHT avec une concentration en azote au moins inhomogène de 500 ppm. L'état métastable dans la réf. [24] est également prouvé par sa très longue durée de vie de 150 s.

\({\text{NV}}^{ - }\) les centres sont généralement mieux excités en utilisant 532 ou 561 nm car ils possèdent une ligne de phonons nulle à 637 nm [35], correspondant à la transition entre un état fondamental triplet et excité état, principalement une transition à conservation de spin. De plus, il existe un état métastable singulet [36] sur lequel le centre transite via une désintégration non radiative. La durée de vie de la transition optique de \({\text{NV}}^{ - }\) dans les ND est d'environ 22 ns [37], plus longue que celle du diamant en vrac de 12 ns [35].

Un faisceau d'excitation (sonde) à 594 nm favorise la transition de l'état fondamental à l'état excité, tandis qu'un faisceau d'épuisement à 638 nm éloigne transitoirement l'électron des centres \({\text{NV}}^{ - }\) des centres de l'état excité à l'état métastable par croisement intersystémique non radiatif (Fig. 1a). L'utilisation de 594 nm comme sonde est justifiée par son altération minimale de la population à l'état sombre par rapport au vert (généralement 532 ou 561 nm) [24]. Cette méthode sature efficacement le croisement intersystème et vide l'état fondamental, empêchant l'excitation dans l'état excité des centres \({\text{NV}}^{ - }\) et l'émission ultérieure de fluorescence, lorsqu'elle est sondée à 594 nm. Enfin, un laser bleu à 488 nm repeuple l'état excité, inhibant la décroissance rapide (ns) ultérieure vers l'état fondamental [38].

un Principe du GSD en \({\text{NV}}^{ - }\) en NDs utilisant un faisceau sonde à 594 nm (jaune), un faisceau d'appauvrissement à 638 nm (rouge) et un faisceau de réinitialisation à 488 nm ( bleu). État fondamental GS, état excité ES et état métastable MS du centre NV. Illustration d'un centre NV dans un nanodiamant. b Représentation schématique du montage expérimental. Le système se compose d'un microscope confocal de fabrication artisanale avec trois lasers fonctionnant aux longueurs d'onde de 488 nm, 594 nm et 638 nm. Une plaque de phase de vortex transforme spatialement le faisceau d'appauvrissement de 638 nm en un faisceau de beignet pour assurer l'appauvrissement uniquement autour de la zone limitée de diffraction. c Caractérisation de modulateurs acousto-optiques par mesure des temps d'arrivée des impulsions de chaque laser. d Schéma de la séquence d'impulsions utilisée en nanoscopie GSD. La fenêtre de détection est synchronisée avec le faisceau sonde à 594 nm pour collecter uniquement la fluorescence pertinente. La longueur d'impulsion du faisceau de sonde de 594 nm a été optimisée à 20 μs, car une longueur d'impulsion plus courte entraînerait des temps de moyennage plus longs et des longueurs d'impulsion plus longues entraîneraient une imagerie à super-résolution moins efficace. Le faisceau de réinitialisation de 488 nm a été optimisé à 20 μs car il est préférable qu'il soit aussi court que possible pour réduire le temps global de la séquence d'impulsions tout en vidant efficacement l'état métastable à longue durée de vie

De la même manière que STED, le faisceau d'appauvrissement est spatialement conçu en un faisceau de beignet dans le plan transversal afin d'obtenir une imagerie à super-résolution [24]. La résolution d de la nanoscopie GSD obéit à l'Eq. [23] :

avec NA désignant l'ouverture numérique de l'objectif, \(I_{{\text{s}}}\) l'intensité de saturation à laquelle la moitié de la fluorescence est épuisée et \(I_{{\text{D}}}^{\ max }\) la valeur d'intensité maximale du pic avoisinant le zéro.

Nous avons mesuré une résolution d'imagerie de 36 nm pour un seul centre \({\text{NV}}^{ - }\) dans la ND en fonction de l'intensité du faisceau d'appauvrissement. De plus, deux centres \({\text{NV}}^{ - }\) séparés de 72 nm ont été résolus. Notre travail est prometteur pour la nanoscopie fluorescente au sein de cellules vivantes avec des centres ND contenant \({\text{NV}}^{ - }\) comme biomarqueurs.

Méthodes expérimentales

Pour cette expérience, une suspension de ND haute pression haute température (HPHT) d'une taille nominale de 100 nm [39, 40], nettoyée à l'acide et diluée dans une solution MilliQ, a été utilisée. Un volume de 20 µl de solution de NDs (1 : 200 dilué dans de l'eau MilliQ) a été coulé sur une lamelle de borosilicate nettoyée à la cendre au plasma d'oxygène et séché à l'air [37]. L'installation expérimentale pour la nanoscopie GSD consistait en un microscope confocal de fabrication artisanale avec deux lasers à diode à onde continue à des longueurs d'onde de 488 nm et 638 nm et un laser à onde continue à hélium-néon (HeNe) à une longueur d'onde de 594 nm. Dans chacun des trajets du faisceau, un modulateur acousto-optique (AOM) a été installé pour créer des impulsions optiques à partir des faisceaux lumineux continus et les synchroniser les uns par rapport aux autres. Après s'être propagé à travers les AOM, un filtre spatial a nettoyé les profils de faisceaux spatiaux. Une lentille secondaire collimatait chaque faisceau pour une propagation ultérieure. Tout d'abord, les faisceaux laser aux longueurs d'onde de 488 nm et 638 nm ont été spatialement superposés à l'aide d'un laser dichroïque plat passe-long de 532 nm (Semrock-LPD01 532R). Un dichroïque secondaire (Semrock-R405/488/543/638) chevauchait spatialement les trois faisceaux en réfléchissant les longueurs d'onde de 488 nm et 638 nm et en transmettant la longueur d'onde de 594 nm. Le profil spatial du faisceau d'appauvrissement à la longueur d'onde de 638 nm a été conçu dans un faisceau de beignet à l'aide d'une plaque de phase. De plus, une lame quart d'onde a été placée devant l'objectif pour assurer une polarisation circulaire du faisceau d'appauvrissement. Un objectif à immersion dans l'huile à haute ouverture numérique (NA = 1.4) a été utilisé pour imager les ND. Un dichroïque (Semrock-LP02-671RU-25) a séparé la fluorescence des centres \({\text{NV}}^{ - }\) des longueurs d'onde d'excitation et l'a redirigé vers une diode à avalanche monophotonique (SPCM-AQRH -14FC) via une fibre monomode faisant office de sténopé. La représentation schématique de l'installation optique est illustrée à la Fig. 1b.

Des nanoparticules d'or de la taille moyenne de 40 nm ont été coulées sur une lamelle de verre et imagées pour étudier le profil spatial du faisceau d'appauvrissement. Une fonction de diffusion ponctuelle en forme de beignet avec un anneau de haute intensité et un minimum local en son centre est observée (encadré de la figure 1b).

Nous avons d'abord étudié la réponse temporelle de chaque impulsion laser. Les AOM sont contrôlés via LabVIEW à l'aide d'un générateur d'impulsions multicanaux (PulseBlasterESR-PRO) qui contrôle les propriétés temporelles individuelles de chaque faisceau laser, ainsi que la synchronisation entre les trois faisceaux. En raison des différentes longueurs de chemin optique pour chacun des lasers, les impulsions optiques qui sont générées en même temps ont un temps d'arrivée légèrement décalé au niveau du détecteur. Cela nous permet d'avoir un contrôle temporel sur les trois faisceaux laser à une échelle de temps inférieure à la microseconde.

Un temps de montée et de descente de 60 ns a été mesuré pour les faisceaux d'excitation (Fig. 1c). Les impulsions optiques aux longueurs d'onde de 594 nm et 638 nm sont arrivées avec une séparation de 85 ns et 155 ns par rapport à l'impulsion à la longueur d'onde de 488 nm. Chacune des impulsions laser génère une fluorescence qui provient de plusieurs sources différentes, y compris le centre \({\text{NV}}^{ - }\), d'autres impuretés dans la ND et des défauts dans la lamelle de verre. Seule la fluorescence générée par le faisceau d'excitation est pertinente pour l'imagerie GSD. La fluorescence d'autres impulsions laser contribue au bruit de l'image de fluorescence. Pour cette raison, une synchronisation temporelle est introduite pour éliminer la fluorescence générée par des impulsions laser autres que le faisceau de sonde. Ceci est réalisé en synchronisant la détection avec le temps d'arrivée de l'impulsion du faisceau de sonde, en filtrant efficacement les autres sources fluorescentes et en augmentant le rapport signal/bruit de l'imagerie.

Une séquence d'impulsions typique pour la nanoscopie GSD et la fenêtre de détection est donnée sur la figure 1d. La désactivation de la fluorescence des centres \({\text{NV}}^{ - }\) a été obtenue en rangeant les électrons dans l'état de longue durée de vie avec une impulsion d'appauvrissement à la longueur d'onde de 638 nm. L'excitation des centres \({\text{NV}}^{ - }\) dans la région de sous-diffraction a été fournie par une impulsion à la longueur d'onde de 594 nm, tandis qu'une impulsion à la longueur d'onde de 488 nm a réinitialisé le \({\text {NV}}^{ - }\) revient à l'état excité. Une séquence d'impulsions a été répétée 500 à 1 000 fois pour assurer un rapport signal/bruit élevé. Les longueurs d'impulsion étaient comprises entre 10 et 20 μs pour le faisceau de sonde (594 nm) et le faisceau de réinitialisation (488 nm). La longueur d'impulsion optimale du faisceau d'appauvrissement s'est avérée être ~ 300 μs (Fig. 2d). L'optimisation de la durée des impulsions du faisceau est basée sur la Réf. [24] ; cependant, une optimisation plus systématique doit être effectuée pour améliorer la résolution finale. On s'attend à ce que la résolution dépende de la durée d'impulsion du faisceau d'inhibition, qui est limitée par la durée de vie de l'état métastable.

un La fluorescence d'un seul centre \({\text{NV}}^{ - }\) basé sur une excitation de 488 nm et 638 nm. La fluorescence détectée augmente lorsque les deux lasers excitent simultanément le centre \({\text{NV}}^{ - }\). b Dépendance de la fluorescence à la puissance d'épuisement. Une illustration de la séquence d'impulsions est montrée dans l'encart. La fluorescence n'est détectée que lorsque le laser de la sonde à 594 nm est activé. c Courbe d'anti-groupage du centre \({\text{NV}}^{ - }\) montrant une fonction de corrélation du second ordre < 0,5 un temps de retard nul

Résultats et discussion

Le mécanisme de commutation marche/arrêt a été étudié en excitant un centre \({\text{NV}}^{ - }\) sous les sources laser aux longueurs d'onde de 638 nm et 488 nm (Fig. 2a). Une augmentation de l'émission de fluorescence des centres \({\text{NV}}^{ - }\) n'a été détectée que lorsque les deux faisceaux se chevauchaient spatialement. Ce comportement d'émission a été compris, en supposant que le faisceau à une longueur d'onde de 638 nm écartait préférentiellement les électrons à l'état de longue durée, tandis que le faisceau à 488 nm permettait une émission spontanée (Fig. 1a). Nous avons supposé une durée de vie pour l'état de longue durée de \({\text{NV}}^{ - }\) centres plus courts (la seule mesure pour les ND est de 33 à 127 ns à partir de la référence [38], tandis que l'état singulet la transition est de 300 ns [41]) que la durée de vie de l'état métastable dans le diamant en vrac (mesurée 150 s) [24] et bien plus longue que la durée de vie de l'état excité [37].

Un seul centre \({\text{NV}}^{ - }\) a été sélectionné à l'aide d'une mesure anti-groupage (Fig. 2c) pour étudier la puissance nécessaire au faisceau d'épuisement pour éteindre efficacement la fluorescence en forme de beignet [42] . Un faisceau à une longueur d'onde de 594 nm a été ajouté pour déterminer si le centre unique \({\text{NV}}^{ - }\) était dans son état allumé ou éteint. La figure 2b montre la dépendance de la fluorescence du centre sélectionné \({\text{NV}}^{ - }\) par rapport à l'intensité du faisceau d'appauvrissement. Une diminution rapide de la fluorescence a été observée. À une puissance d'épuisement de 151,2 μW, le centre \({\text{NV}}^{ - }\) a été effectivement éteint.

Ici, pour la première fois à notre connaissance, nous démontrons la nanoscopie GSD appliquée aux ND pour l'imagerie en super-résolution de centres \({\text{NV}}^{ - }\) uniques.

Pour obtenir une super-résolution via le GSD, tous les émetteurs couverts par un faisceau d'excitation focalisé sont temporairement éteints, sauf dans une région de taille inférieure à la diffraction, en raison du chevauchement du faisceau d'appauvrissement en forme de beignet transférant le centre à son long- vécu l'état sombre. La résolution obtenue peut être quantifiée par le profil dans le plan focal où les centres sont « sur » et elle est mise à l'échelle selon l'Eq. (1), où \(I_{s}\) est inversement proportionnel à la durée de vie des états impliqués et à la section efficace d'inhibition de la transition d'extinction optique [43, 44].

La figure 3a montre une image de fluorescence super-résolue d'un seul centre \({\text{NV}}^{ - }\) dans un ND (Fig. 2c). La largeur totale à mi-hauteur (FWHM) est de 57 nm dans la direction x et de 42 nm dans la direction y (Fig. 3c).

un Image de fluorescence d'un centre \({\text{NV}}^{ - }\) super-résolu basé sur la nanoscopie GSD. Temps de maintien 10 ms et taille de pixel de 2 nm. b Résolution transversale en fonction de la puissance d'épuisement. L'écart entre l'expérience et la théorie est très probablement dû aux imperfections du matériau hôte et aux changements dans l'environnement local des ND par rapport au diamant en vrac. La théorie est basée sur les centres NV dans le diamant en vrac. c Profil des coupes transversales de l'image le long des axes x et y avec une résolution FWHM de 57 nm et 42 nm, respectivement. La ligne continue représente le meilleur ajustement

La relation entre la puissance d'épuisement et la résolution est illustrée à la figure 3b. La courbe théorique est basée sur l'Eq. (1). La puissance supplémentaire requise pour supprimer la fluorescence du centre \({\text{NV}}^{ - }\) pour les données expérimentales a été attribuée à l'environnement local de l'hôte ND et à une durée de vie de l'état métastable plus courte [38] par rapport à la masse . Il est à noter que la résolution maximale de 42 nm est atteinte à 2,2 mW, tandis que dans la réf. [24] Une résolution de 12 nm a été obtenue avec 16 mW, ce qui correspond à une intensité maximale de 12 MW/cm ² pour le faisceau d'épuisement.

De plus, nous avons appliqué la nanoscopie GSD pour démontrer l'imagerie à l'échelle nanométrique de deux centres \({\text{NV}}^{ - }\) étroitement espacés. La figure 4a montre une image confocale des centres \({\text{NV}}^{ - }\). Sous la nanoscopie GSD, deux centres uniques \({\text{NV}}^{ - }\) sont imagés avec une résolution à l'échelle nanométrique (Fig. 4b). La distance centre à centre entre les deux centres \({\text{NV}}^{ - }\) est de 72 nm (Fig. 4c). Le FWHM pour les deux centres résolus \({\text{NV}}^{ - }\) dans le y -la direction est de 36 nm (Fig. 4d) et 38 nm, respectivement (Fig. 4e). Nous avons attribué le désalignement entre le grand axe du ND et les centres résolus \({\text{NV}}^{ - }\) à une dérive mécanique lors du balayage confocal de l'image.

un Carte de fluorescence confocale de 500 × 500 nm (temps de séjour 2 ms et taille de pixel de 1 nm) et b image super-résolue 300 × 300 nm du carré blanc (temps de maintien 24 ms et taille de pixel de 1 nm) b de deux centres \({\text{NV}}^{ - }\). Le spot confocal individuel est super-résolu en deux spots de fluorescence faible distincts. c Coupe transversale le long de l'axe X montrant la séparation de 72 nm entre les deux pics correspondant aux emplacements de la distance centre à centre des deux centres NV. d Coupes le long de l'axe Y avec une résolution FWHM mesurée de 36 nm et 38 nm, correspondant à \({\text{NV}}^{ - }\) 1 et \({\text{NV}}^{ - }\) 2 dans b , respectivement

Conclusions

Dans ce travail, nous avons implémenté la nanoscopie GSD en utilisant l'état métastable du centre \({\text{NV}}^{ - }\) dans les nanodiamants, montrant une imagerie super-résolue de \({\text{NV}}^{ - }\) centres. Un seul centre \({\text{NV}}^{ - }\) avec un FWHM de 36 nm est résolu. L'échelle de la résolution par rapport à l'intensité du faisceau d'appauvrissement est également indiquée, et la super-résolution maximale est obtenue avec une puissance d'appauvrissement de 2,2 mW. De plus, deux centres \({\text{NV}}^{ - }\) séparés de 72 nm ont été résolus. Ce résultat ouvre la possibilité d'étudier le couplage dipolaire entre des centres \({\text{NV}}^{ - }\) rapprochés [45], la capacité de détection quantique à haute résolution spatiale basée sur le \({\text{ NV}}^{ - }\) propriétés de spin [6, 18, 46, 47, 48] ainsi que d'autres applications de détection multifonctionnelles basées sur le diamant en vrac [49] étendu aux ND [50].

Dans cet article, nous avons également montré que la concentration d'azote dans le diamant est à la base des mécanismes GSD et CSD pour la super-résolution, qui sont atteints respectivement dans le diamant à fort et faible taux d'azote. En tant que tel, les ND conçus pour la méthode spécifique doivent suivre. Il est entendu que le CSD peut être plus facilement appliqué à la détection de spin en raison de la faible concentration en azote; cependant, la NV ⁰ l'état de charge limiterait les propriétés de détection quantique du CSD, tout en stabilisant l'état de charge de \({\text{NV}}^{ - }\) en utilisant d'autres donneurs que l'azote pourrait apporter une sensibilité beaucoup plus élevée du GSD appliqué au spin quantique détection.

La nanoscopie GSD des centres \({\text{NV}}^{ - }\) dans les ND utilise une faible puissance (~ 300 μW) pour les intensités optiques par rapport au diamant en vrac, et elle est plus adaptée aux échantillons biologiques. La résolution GSD peut être améliorée en déterminant le dopage optimal à l'azote [34], en étudiant l'effet de la passivation de surface et d'autres impuretés sur la \({\text{NV}}^{ - }\) dans la durée de vie à l'état métastable du ND et en ingénierie des ND avec moins d'impuretés photoluminescentes.

En ce qui concerne la détection de spin, la concentration élevée d'azote dans les ND actuellement commercialisées dérivées de HPHT et de microdiamants à haute teneur en azote limite la sensibilité du spin en raison du contraste de résonance magnétique détecté optiquement [34]. En tant que tel, d'autres dopants devraient être envisagés pour stabiliser l'état de charge \({\text{NV}}^{ - }\) sans introduire de décohérence [50, 51].

Enfin, en combinant cette méthode avec l'excitation micro-ondes [18, 52, 53, 54], elle pourrait fournir une approche alternative pour l'imagerie magnétique optique super-résolue dans les sciences de la vie si les propriétés des matériaux ND actuels pouvaient être mieux conçues pour cette application.

Disponibilité des données et des matériaux

Les ensembles de données utilisés et/ou analysés au cours de la présente étude sont disponibles auprès de l'auteur correspondant sur demande raisonnable.

Abréviations

ND :

Nanodiamants

NV :

Vacance d'azote

STED :

Appauvrissement des émissions stimulé

GSD :

Épuisement de l'état fondamental

CSD :

Épuisement de l'état de charge

FWHM :

Pleine largeur à mi-hauteur

HPHT :

Haute pression et haute température

AOM :

Modulateur acousto-optique