Sensitivity Optimization for NV-Diamond Magnetometry
金刚石中含有氮空位（NV）中心的固态自旋系统构成了越来越受青睐的量子传感平台。然而，目前的NV系综装置表现出远离理论极限的数量级的灵敏度。灵敏度不足既妨碍了现有的实现，也限制了设想的应用空间。本文分析了现有的和建议的方法，以提高宽带集成NV-金刚石磁强计的灵敏度。自旋退相时间，读出保真度，和主机金刚石材料的性能的改进被确定为最有前途的途径，并进行了广泛的研究。我们的分析灵敏度优化建立了一个基础，以刺激发展的新技术，提高固态传感器的性能。
2020-05-28 cond-mat.mes-hall physics.app-ph physics.ins-det
High-Sensitivity Temperature Sensing Using an Implanted Single Nitrogen-Vacancy Center Array in Diamond
提出了一种利用单氮空位中心阵列注入金刚石的高灵敏度温度探测方法。采用高阶热Carr-Purcell-Meiboom-Gill（TCPMG）方法研究了在静态磁场中注入金刚石中的单氮空位（NV）心。我们证明了在两个驱动微波频率的小失谐下，NV中心的诱导荧光的振荡频率近似等于两个驱动场的失谐的平均值。在此基础上，可以确定NV中心的零场分裂D和相应的温度。实验结果表明，高阶TCPMG的相干时间得到了有效的延长，尤其是TCPMG-8的相干时间达到了108 μs，是热Ramsey方法的7.7 μs的14倍。该相干时间对应于10.1 mK/Hz 1/2的热灵敏度。我们还用TCPMG-3方法测量了三种不同情况下金刚石芯片表面的温度分布。实验结果表明，在高质量金刚石中注入NV中心，可用于生物、化学、材料科学和微电子系统中的温度检测，具有高灵敏度和纳米级分辨率。
2014-10-25 cond-mat.mes-hall quant-ph
Impact of Photoelectric Readout Noise on Magnetic Field Sensitivity of NV Centers in Diamond
Ulm University（乌尔姆大学）；Diatope GmbH（Diatope有限公司）；Hasselt University（哈瑟尔特大学）；IMEC（imec研究院）；Center for Integrated Quantum Science and Technology (IQST)（集成量子科学与技术中心）
研究光电信号读出噪声对钻石中氮空位中心磁感应灵敏度的影响，通过单个和集体NV中心的光学和光电读出方法评估灵敏度，发现光电噪声限制的磁感应灵敏度可比光学测量高一个数量级。
2026-04-21 cond-mat.mes-hall quant-ph
Wide-field diamond magnetometry with millihertz frequency resolution and nanotesla sensitivity
金刚石中的氮空位（NV）中心允许小体积的室温宽场量子磁学和计量学，这是生物学应用的重要技术。虽然NV中心的相干性具有金刚石磁力测量的有限频率分辨率至10-100 kHz，但最近的研究表明，相敏协议可以击败共焦设置上的相干性限制。在这里，我们报告了一种新的测量协议，“iQdyne”，用于提高宽场成像的频率分辨率超过NV中心的相干限制。我们展示了宽场磁力测量，频率分辨率为238 mHz，磁灵敏度为65 nT/sqrtHz，优于传统的基于XY 8的技术，为体内微尺度核磁共振成像铺平了道路。我们发现，iQdyne的实验性能与分析模型一致。
2018-07-12 cond-mat.mes-hall quant-ph
Nanoscale microwave imaging with a single electron spin in diamond
我们报告的微波（MW）磁场成像使用磁力计的基础上，在金刚石中的氮空位中心的电子自旋。我们定量图像的磁场产生的高频（GHz）MW电流与纳米级分辨率使用扫描探针技术。我们证明了MW磁场的灵敏度在几个nT/ $\sqrt{\text{Hz}}$，极化选择和宽带能力的范围内，在环境条件下，从而建立了氮空位中心的多功能和高性能的工具，用于检测MW领域。作为这种扫描MW探测器的第一个应用，我们确定了带状线中的MW电流密度，并证明了几个nA/ $\sqrt{\text{Hz}}$的MW电流灵敏度
2015-11-13 cond-mat.mes-hall
Enhanced widefield quantum sensing with nitrogen-vacancy ensembles using diamond nanopillar arrays
基于金刚石中的光学活性缺陷（如氮空位（NV）中心）的量子传感器代表了用于磁、电、温度和应变场的纳米级传感和成像的有前途的平台。增强对这些缺陷的光学接口是提高这些系统的测量灵敏度的关键。光子纳米结构通常用于单发射区，但它们对具有NV系综的宽场传感的适用性在很大程度上仍未被探索。在这里，我们制造和表征紧密堆积的金刚石纳米柱阵列，每个托管自己的密集，近表面合奏的NV中心。我们探索最佳几何形状的金刚石纳米柱托管NV合奏，并实现增强的自旋和光致发光特性，导致增加测量灵敏度（大于3倍）相比，未图案化的表面。利用增加的测量灵敏度，我们对阵列中每个纳米柱中的机械应力张量进行成像，并显示与未图案化的表面相比，制造过程对内置应力的影响可以忽略不计。我们的研究结果表明，金刚石表面的光子纳米结构是一种可行的策略，用于提高基于集成的宽场传感和成像的灵敏度。
2019-02-07 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci physics.optics
Broadband microwave detection using electron spins in a hybrid diamond-magnet sensor chip
量子传感已发展成为量子科学技术的一个重要分支。它旨在以高分辨率、高灵敏度和高动态范围测量物理量。金刚石中的电子自旋是强大的磁场传感器，但它们在微波范围内的灵敏度仅限于其共振频率附近的窄带。在这里，我们实现了宽带微波检测使用的自旋在金刚石与薄膜磁铁接口。泵浦场通过磁体的非线性自旋波动力学将目标微波信号局部转换为传感器自旋频率。两个互补的转换协议能够在千兆赫带宽上实现感测和高保真自旋控制，从而能够在传感器自旋频率以上的多个千兆赫处表征自旋波段。泵可调，混合金刚石磁铁传感器芯片开辟了在100千兆赫兹制度在小磁偏置场的自旋为基础的传感方式。
2022-06-14 cond-mat.mes-hall
A subpicotesla diamond magnetometer
金刚石缺陷心是一种很有前途的固体磁强计。单中心允许高空间分辨率场成像，但其磁场灵敏度在室温下限于约10 nT/Hz^（1/2）。当N是缺陷的数量时，使用缺陷中心系综灵敏度可以被缩放为N^（1/2）。在目前的工作中，我们使用的1 E11缺陷中心感测的合奏。通过仔细消除所有噪声源，如激光强度波动、微波振幅和相位噪声，我们在室温下实现了0.9 pT/Hz^（1/2）的光子散粒噪声限制场灵敏度，传感器的有效体积为8.5 e-4 mm^3。我们用我们的设备测量的最小场是100 fT。虽然这表示迄今为止最好的金刚石磁力计灵敏度，但使用去耦序列和材料优化的进一步改进可能导致fT/Hz^（1/2）灵敏度。
2014-12-19 cond-mat.mes-hall quant-ph
Edge states of mechanical diamond and its topological origin
本文对金刚石晶格上弹簧-质量模型的经典力学-机械金刚石进行了拓扑讨论。它的频率色散在受手征对称性保护的三维布里渊区（BZ）中具有固有的节结结构。线节点的拓扑变化证明与修改的张力。投影到二维BZ中的线节点形成回路，其特征在于由0和$π$量化的Zak相位。与边界，边缘状态进行了讨论的Zak相位和绕组数量。它建立了机械金刚石的体积-边缘对应关系。
2016-12-08 cond-mat.mes-hall
Complete Coherent Control of Silicon-Vacancies in Diamond Nanopillars Containing Single Defect Centers
相同且可单独寻址的量子位阵列为创建可扩展的量子硬件（如量子处理器和中继器）奠定了基础。金刚石（SiV）中的硅空位中心提供了优异的物理特性，例如低非均匀加宽，快速光子发射和大的Debye-Waller因子，而全光学超快操纵和延长自旋相干时间的技术的可能性使它们成为量子比特的非常有前途的候选者。在这里，我们已经开发出阵列的纳米柱含有单一的SiV中心与高产率，我们展示了超快的全光学完整的相干控制的一个单一的SiV中心的状态。化学气相沉积（CVD）生长的SiV中心的高质量提供了优异的光谱稳定性，这使我们能够使用超快光脉冲在皮秒时间尺度上相干操纵和准共振读出单个SiV中心的状态。这项工作为创建可扩展的芯片上金刚石平台，用于量子信息处理和可扩展的纳米光子学应用开辟了新的机会。
2017-01-18 cond-mat.mes-hall
Fabrication of all diamond scanning probes for nanoscale magnetometry
金刚石中的氮空位（NV）中心的电子自旋形成原子大小的、高灵敏度的磁场传感器。为了利用单个NV中心的全部潜力以用于以高灵敏度和纳米级空间分辨率进行感测，NV中心必须被并入扫描探针结构中，使得能够在靠近样品表面处进行受控扫描。在这里，我们提出了一个优化的程序来制造单晶，全金刚石扫描探针从市售的金刚石，并显示了一个高效和强大的方法，将这些设备集成在一个通用的原子力显微镜。我们的扫描探针由扫描纳米柱（直径200 nm，$1-2\,μ$ m长）和薄（$< 1μ$ m）悬臂梁结构组成，能够从金刚石中高效提取光，并具有高磁场灵敏度（$\mathrm{η_{AC}}\approx50\pm20\,\mathrm{nT}/\sqrt{\mathrm{Hz}}$）。作为我们的扫描探针的第一个应用程序，我们图像的磁杂散场的一个单一的镍纳米棒。我们表明，这种杂散场可以近似为一个单一的偶极子和估计的NV到样品的距离为几十纳米，这设置了我们的扫描探头可实现的分辨率。
2016-03-31 cond-mat.mes-hall
Pulse force nanolithography on hard surfaces using atomic force microscopy with a sharp single-crystal diamond tip
提出了基于AFM的纳米光刻技术。该方法使得能够利用尖锐尖端进行快速逐点压痕。当与单晶金刚石刀头串联使用时，这种技术可以在硬材料（如硅或金属）中形成高纵横比的凹槽。给出了在Si表面上制作的间距为30-100 nm、深度为5-32 nm的沟槽阵列的实例。对63 nm厚的金属磁性薄膜进行了切割实验。通过使用磁力显微镜来研究所得到的结构。
2013-12-03 cond-mat.mes-hall
Level anti-crossing magnetometry with color centers in diamond
利用金刚石中带负电荷的氮空位中心（NV）的磁场感测的最新发展在光致发光（PL）中采用磁场（MF）依赖性特征，并且消除了对微波（MW）的需要。在这里，我们研究了两种方法来提高磁灵敏度使用的基态水平反交叉（GSLAC）功能的NV中心在背景MF为102.4\，mT。在第一种方法之后，我们研究了在稀释金刚石样品中精确对准的特征参数;第二种方法通过检测1042 nm激光束的金刚石透射中的GSLAC将传感协议扩展到吸收。这导致GSLAC对比度的增加，并导致磁力计具有0.45nT/ $\sqrt{\text{Hz}}$的灵敏度和12.2pT/ $\sqrt{\rm{Hz}}$的光子散粒噪声限制灵敏度。
2017-01-24 cond-mat.mes-hall quant-ph
Chip-scale nanofabrication of single spins and spin arrays in diamond
我们展示了一种基于宽束氮注入通过电子束光刻胶中的孔纳米制造金刚石中的氮空位（NV）中心的技术。该方法能够实现在亚100 nm长度尺度上的单个NV中心的高通量纳米加工。二次离子质谱（SIMS）测量促进注入氮的深度剖析，以提供NV中心空间分布的三维表征。NV中心相干性与片上共面波导的测量表明，在未来的量子应用中，将这种可扩展的纳米纤维技术的途径。
2010-07-03 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci quant-ph
High-sensitivity, spin-based electrometry with an ensemble of nitrogen-vacancy centers in diamond
我们展示了一种基于金刚石中氮空位（NV $^-$）缺陷系综的全电介质静电计。施加的电场通过斯塔克效应导致能级对称地远离NV $^-$的简并三重态移动;这种对称性提供了对温度波动的免疫力，从而允许散粒噪声限制检测。使用合奏的NV $^-$ s，我们证明了接近1 V/cm/ $\sqrt{\text{Hz}}$在环境条件下，在低频率（$<$ 10 Hz），并在一个大的动态范围（20 dB）的散粒噪声限制的灵敏度。NV $^-$ s系综的理论模型与基态电极化率参数$\langle k_\perp\rangle$的测量结果吻合得很好。自旋为基础的，介电传感器的微米级电场传感的影响进行了讨论。
2017-03-22 cond-mat.mes-hall physics.optics
Optimized Single-Crystal Diamond Scanning Probes for High Sensitivity Magnetometry
金刚石中的带负电荷的氮空位中心（NV）形成了用于量子传感应用的通用系统。将这种原子大小的缺陷的有利性质与诸如原子力显微镜（AFM）的扫描探针技术相结合，使得能够对例如磁场进行纳米级成像。为了形成扫描探针装置，我们将单个NV浅地（即，< 20 nm）放置在金刚石纳米柱的顶面下方，所述金刚石纳米柱位于通常低于1 μm厚度的薄金刚石平台上。该装置可以连接到AFM头上，形成良好的扫描探针针尖。此外，它同时影响位于内部的NV的可收集的光致发光（PL）率。特别是使用连续光学检测磁共振（ODMR）的感测协议受益于增强的可收集PL率，从而提高了可实现的灵敏度。这项工作提出了一组全面的模拟，以量化设备几何形状对单个NV的可收集PL率的影响。除了几何参数（如支柱长度，直径和平台厚度），我们还专注于制造的不确定性，如NV的确切位置或不完美的蚀刻所引入的支柱的锥形几何形状。作为最后一步，我们使用这些单独的结果来优化我们当前的设备几何形状，与散装金刚石相比，可收集PL率实际增加了13倍，与未优化的设备相比增加了1.8倍。
2018-08-08 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci quant-ph
Power sensitivity of broadband radiofrequency detectors based on quantum diamond spins
RMIT University（皇家墨尔本理工大学）；Phasor Quantum Pty Ltd（Phasor量子有限公司）；The University of Melbourne（墨尔本大学）
本文研究了基于量子钻石自旋的射频探测器的功率灵敏度，推导了不同噪声条件下斜率检测和方差检测协议的灵敏度标度定律，并发现灵敏度与RF-自旋接口特征物理尺寸成反比。
2026-05-14 cond-mat.mes-hall quant-ph
Miniature cavity-enhanced diamond magnetometer
提出了一种基于金刚石中氮空位（NV）中心的高灵敏度小型化腔增强室温磁场传感器。通过探测1042 nm自旋单态跃迁的吸收来检测磁共振信号。为了提高吸收信号，将金刚石放置在光学谐振器中。该器件的磁场灵敏度为28 pT/ $\sqrt{\rm{Hz}}$，投影光子散粒噪声限制灵敏度为22 pT/ $\sqrt{\rm{Hz}}$，估计量子投影噪声限制灵敏度为0.43 pT/ $\sqrt{\rm{Hz}}$，传感体积为$\sim$ 390 $μ$ m $\times$ 4500 $μ$ m $^{2}$。所提出的小型化装置是用于生物医学应用的内窥镜磁场传感器的基础。
2017-06-07 cond-mat.mes-hall physics.ins-det quant-ph
Tunable Strong Magnon-Magnon Coupling in Two-Dimensional Array of Diamond Shaped Ferromagnetic Nanodots
在过去的几年里，混合磁振子与不同量子粒子之间的耦合已经被广泛研究，包括量子电动力学在内的各种兴趣。在这样的系统中，利用具有高自旋密度的磁性材料中的磁振子，其中耦合强度通过自旋数量的平方根共同增强，以克服各个自旋与微波场之间的较弱耦合。然而，在受限的纳米磁体中实现强磁振子-磁振子耦合对于这种混合系统的片上集成是必不可少的。在这里，通过深入研究不同的磁振子模式之间的相互作用，在Ni 80 Fe 20（Py）纳米点阵列，我们表明，模间耦合可以接近强耦合制度，耦合强度高达0.82 GHz，协同系数为2.51。微磁学模拟表明，模间耦合是由每个纳米点内部的交换场介导的。耦合强度可以通过改变偏置场的强度和方向来连续调节，从而为混合磁振子系统的外部控制开辟了途径。这些发现可以极大地丰富快速发展的量子磁振子领域。
2023-01-27 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
Enhanced metrology using preferential orientation of nitrogen-vacancy centers in diamond
我们证明了氮空位（NV）色心的择优取向沿两个四个可能的晶轴在金刚石生长的化学气相沉积在{100}面。我们确定了相关的增长制度，并提出了一个可能的解释这种影响。我们表明，优先取向提供了增加的光学读出对比度的NV多自旋测量，包括增强的AC磁场灵敏度，从而提供了一个重要的一步，高保真度多自旋量子位量子信息处理，传感和计量。
2012-07-13 cond-mat.mes-hall
Ultra-sensitive Diamond Magnetometry Using Optimal Dynamic Decoupling
近年来，基于金刚石中氮空位（NV）缺陷的新型磁测量技术作为探测纳米尺度磁环境的一种手段受到了广泛关注。单个NV磁力计的灵敏度主要由横向自旋弛豫时间$T_2$确定。目前提高灵敏度的方法采用以空间分辨率为代价的具有高NV密度的晶体，或者通过制造新的同位素纯金刚石晶体来扩展$T_2$。我们采用了一种互补的方法，其中最佳的动态解耦技术延长了自相关时间的自旋浴的相干时间。这表明单自旋，室温磁强计灵敏度低至5“，pT”，Hz $^{-1/2}$与当前技术。
2010-03-19 cond-mat.mes-hall quant-ph
Diamond nano-pillar arrays for quantum microscopy of neuronal signals
现代神经科学目前在以纳米级分辨率对神经元电磁学进行长期、宽场测量的能力方面受到限制。使用氮空位中心（NV）的量子显微镜可以提供一个潜在的解决方案，这个问题的电场和磁场传感在纳米级的分辨率和良好的生物相容性。然而，现有的NV传感技术的性能还不允许研究小型哺乳动物神经元。在本文中，我们提出了一个解决这个问题的工程NV量子传感器在金刚石纳米柱阵列。柱通过引导激发/发射光来提高光收集效率，这提高了灵敏度。更重要的是，它们还通过去除屏蔽电荷以及将神经元生长协调到NV所在的支柱尖端来改善NV处的信号大小。在这里，我们提供了一个生长研究，以证明协调的神经元生长，以及第一次模拟纳米神经元电场和磁场，以评估纳米柱几何形状提供的增强。
2019-01-25 cond-mat.mes-hall q-bio.NC quant-ph
Spin readout via spin-to-charge conversion in bulk diamond nitrogen-vacancy ensembles
我们演示了光学读出合奏的氮空位（NV）中心自旋在大块金刚石样品通过自旋到电荷转换。利用高功率594 nm激光器选择性地将这些顺磁缺陷在自旋状态下以高达12%的对比度去除。与传统的520 nm自旋读出相比，基于自旋-电荷转换的读出提供更高的信噪比，对于毫秒长脉冲序列具有十倍的感测测量加速。这种性能水平是在NV-电离仅为25%的情况下实现的，受到电离和读出激光功率的限制。这些观察结果为一系列高灵敏度计量应用铺平了道路，在这些应用中，在大块金刚石中使用NV系综已被证明是有用的，包括覆盖在金刚石表面上的目标材料的感测和成像。
2018-09-19 cond-mat.mes-hall
All-optical nanoscale thermometry with silicon-vacancy centers in diamond
我们证明了一个全光学温度计的基础上的系综的硅空位中心（SiVs）在金刚石中，利用温度依赖的漂移的SiV光学零声子线跃迁频率，$Δλ/ΔT= 6.8\,\mathrm{GHz/K}$。在块状金刚石中使用SiVs，我们在室温下实现了$70\,\mathrm{mK}$精度，灵敏度为$360\,\mathrm{mK/\sqrt{Hz}}$。最后，我们使用$200\,\mathrm{nm}$纳米金刚石中的SiV作为具有$521\,\mathrm{ mK/\sqrt{Hz}}$灵敏度的局部温度探针。这些结果为生物学、化学和物理学中的纳米温度测量开辟了新的可能性，为控制复杂的纳米系统铺平了道路。
2017-08-17 cond-mat.mes-hall quant-ph
Absolute magnetometry based on quantum beats in diamond nitrogen-vacancy centers
基于金刚石中氮空位中心基态的量子拍频，我们提出了一种不受温度波动和应变不均匀性影响的绝对磁强计。我们应用这种技术来测量低频磁场噪声使用一个单一的氮空位中心位于500 nm内的同位素纯（99.99%C12）金刚石的表面。在4.45 s的采集时间内，光子散粒噪声限制的灵敏度达到38 nT/Hz ^[1/2]，比仅使用两个自旋能级的实现方式高出2^1/2倍。对于长采集时间（>10 s），我们实现了高达15倍的磁灵敏度的改善，这表明了我们的技术对热漂移的鲁棒性。将我们的技术应用于氮空位中心合奏，我们消除了纵向应变不均匀性的失相，导致灵敏度提高了2.3倍。
2012-12-06 cond-mat.mes-hall physics.atom-ph quant-ph
Single molecule NMR detection and spectroscopy using single spins in diamond
利用金刚石中的氮空位（NV）中心进行纳米磁性测量，由于具有室温操作、纳米级分辨率和高灵敏度的综合特性，引起了人们极大的兴趣。纳米磁测量的重要目标之一是能够检测单个分子中的纳米级核磁共振（NMR）。我们的理论分析表明，如何在金刚石表面的单个分子，与特征的NMR频率，可以检测到使用一个接近NV中心的时间尺度上的顺序秒与纳米精度。我们执行时空分辨率优化，并概述了更高灵敏度的路径。此外，该方法适用于在低和相对不均匀的背景磁场中的应用，与传统的液态和固态NMR光谱相比。
2013-07-31 cond-mat.mes-hall quant-ph
Nanoscale vector AC magnetometry with a single nitrogen-vacancy center in diamond
纳米级交流磁场的检测在从基础物理到材料科学的应用中至关重要。孤立的量子自旋缺陷，如金刚石中的氮空位中心，可以实现所需的空间分辨率与高灵敏度。尽管如此，矢量AC磁力测定法目前依赖于使用具有降级的空间分辨率的传感器集合的不同取向，并且缺乏基于单个NV的协议。在这里，我们提出并实验证明了一个协议，利用一个单一的NV重建矢量分量的AC磁场通过调谐连续驱动不同的谐振条件。我们绘制了金刚石表面铜线产生的交流场的空间分布。所提出的协议结合了高灵敏度，宽动态范围，以及对相干和随机信号的灵敏度，在凝聚态物理中具有广泛的应用，例如探测自旋波动。
2021-03-22 cond-mat.mes-hall physics.app-ph quant-ph
Magnetic Communication with an Acoustically Actuated Magnetoelectric Resonator and a Quantum Diamond Magnetometer
RMIT University（皇家墨尔本理工大学）；Defence Science and Technology Group（国防科学与技术集团）
本研究提出一种以声驱动磁电谐振器为发射端、量子金刚石磁力计为接收端的混合磁通信系统，在20 kHz下实现交流磁场的幅度和相位编码传输，灵敏度优于传统环形天线方案。
2026-08-28 cond-mat.mes-hall
All-optical hyperpolarization of electron and nuclear spins in diamond
核自旋的低热极化是限制核磁共振灵敏度的主要因素。在这里，我们证明了光泵（无微波）核自旋极化的$^{13}\mathrm{C}$和$^{15}\mathrm{N}$在$^{15}\mathrm{N}$掺杂金刚石。在顺磁体系$\mathrm{N_s}^{0}$中观察到$^{15}\mathrm{N}$的极化增强达到热平衡以上的$-2000$。核自旋极化扩散到散装$^{13}\mathrm{C}$与NMR增强的$-200$在室温下和$-500$在$\mathrm{240~K}$，使路由微波无高灵敏度NMR研究的生物样品在环境条件下。
2017-02-13 cond-mat.mes-hall quant-ph
Diamond magnetometer enhanced by ferrite flux concentrators
基于金刚石中氮空位（NV）中心的磁强计是一种很有前途的室温固态传感器。然而，它们对低频（<1 kHz）磁场的灵敏度目前已报道为>10 pT s^{1/2}，排除了在医学成像、地球科学和导航中的潜在应用。在这里，我们表明，高磁导率的磁通量集中器，收集磁通量从一个更大的区域，并集中到金刚石传感器，可以用来提高灵敏度的金刚石磁力计。通过将NV掺杂的金刚石膜以蝴蝶结配置插入两个铁氧体锥体之间，我们实现了金刚石内的磁场振幅的~250倍增加。我们证明了~0.9 pT s^{1/2}的灵敏度磁场在10和1000 Hz之间的频率范围内，使用双共振调制技术来抑制NV自旋能级的热位移的影响。这是使用200 mW的激光功率和20 mW的微波功率来实现的。本工作通过使用微结构磁性材料来操纵磁场，为金刚石量子传感器引入了一个新的维度。
2019-11-14 cond-mat.mes-hall physics.app-ph physics.ins-det
NV-Diamond Magnetic Microscopy using a Double Quantum 4-Ramsey Protocol
我们介绍了一种双量子（DQ）4-拉姆齐测量协议，使宽场磁成像使用氮空位（NV）中心的金刚石，增强均匀性的磁灵敏度相对于传统的单量子（SQ）技术。DQ 4-Ramsey协议采用跨四个连续Ramsey（4-Ramsey）测量的微波相位交替，以将期望的DQ磁信号与由微波脉冲误差引起的任何残余SQ信号隔离。在宏观金刚石芯片中采用1- $μ$ m厚的NV层的演示实验中，DQ 4-Ramsey协议提供了$η^\text{V}=34\,$ nTHz $^{-1/2} μ$ m $^{3/2}$在$125\,μ$ m $ \,\times\,125\,μ$ m视场上的体积归一化DC磁灵敏度，与SQ测量相比，在视场上的灵敏度的空间变化少约5 $\times$。DQ 4-Ramsey协议的改进的鲁棒性和磁灵敏度均匀性使动态宽带磁源（如集成电路和电活性电池）能够成像。
2021-04-21 cond-mat.mes-hall physics.app-ph physics.ins-det
Angle dependence of $^{15}$N nuclear spin dynamics in diamond NV centers
该研究探究金刚石NV中心中$^{15}$N核自旋动力学的角度依赖性，观测到其拉莫尔进动受磁场与NV中心轴夹角的影响，提出利用该频率变化实现高灵敏度静磁检测，为提升直流磁测灵敏度和设计新方案提供支撑。
2023-06-13 cond-mat.mes-hall quant-ph
Ultra-sensitive hybrid diamond nanothermometer
金刚石中的氮空位（NV）中心在环境条件下具有较长的自旋相干时间，是很有希望的量子传感器。然而，它们的自旋共振对温度等非磁性参数相对不敏感。磁性-纳米颗粒-纳米金刚石混合温度计，其中温度变化被转换为居里温度附近的磁场变化，被证明具有增强的温度灵敏度（11 mK Hz^{-1/2}）[Phys. Rev. X 8，011042（2018）]，但灵敏度受到纳米金刚石中系综自旋的大光谱加宽的限制。为了克服这一限制，在这里，我们展示了一种混合纳米温度计的改进设计，该混合纳米温度计使用金刚石纳米柱中的单个NV中心与铜-镍合金的单个磁性纳米颗粒耦合，并且证明了76 uK Hz^{-1/2}的温度灵敏度。这种混合设计使得能够以5毫秒的时间分辨率检测2毫开尔文的温度变化。超灵敏纳米温度计为研究纳米尺度系统中的热过程提供了一种新的工具。
2019-12-27 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci quant-ph
Probabilistic magnetometry with two-spin system in diamond
固态磁强计，如金刚石中的氮空位中心，对于具有纳米空间分辨率的量子传感的发展至关重要。基本协议是Ramsey序列，其将外部静态磁场压印到量子传感器的相位中，该相位随后被读出。在这项工作中，我们表明，氮空位和附近的碳-13之间的超精细耦合可以用来设置一个后选择协议，导致在现实的实验条件下的灵敏度的增强。我们发现，对于同位素纯化的样品中的$μ$ T范围内的弱磁场的检测可以实现与几个nTHz $^{-1/2}$在低温（$4$ K），和$0.1$ $μ$ THz $^{-1/2}$在室温下的灵敏度。
2021-05-01 cond-mat.mes-hall quant-ph
Efficient Identifying the Orientation of Single NV Centers in Diamond and Using them to Detect Near Field Microwave
金刚石中的NV中心阵列在芯片级量子信息处理和纳米级量子传感领域具有潜在的应用价值。然而，逐个确定它们的取向是资源密集型和耗时的。本文将共聚焦荧光扫描图像与光学检测磁共振技术相结合，实现了一种实用、高效的同向单个NV中心的识别方法。在原理实验的证明中，在NV中心阵列中识别出具有相同取向的五个单个NV中心。然后，利用这5个单NV中心测量了直径为20 μ m的铜天线在不同微波源功率下的荧光强度变化和拉比频率。本文利用NV心阵列可以分辨亚微米尺度的近场微波梯度。本工作促进了利用NV中心阵列的量子传感。
2019-12-17 cond-mat.mes-hall physics.app-ph quant-ph
Efficient electrical spin readout of NV- centers in diamond
利用脉冲光电离技术，对金刚石中NV心系综的相干自旋操纵和回波形成进行了电探测，实现了高达17%的对比度。基本的自旋相关的电离动力学进行了实验研究，并比较蒙特卡罗模拟。这允许识别优化对比度和灵敏度的条件，其与光学检测相比是有利的。
2016-08-08 cond-mat.mes-hall quant-ph
Temperature selective thermometry with sub-microsecond time resolution using dressed-spin states in diamond
易受各种物理量变化影响的通用纳米级传感器通常表现出有限的选择性。本文报道了一种新的方案，基于微波修饰的自旋态的光探测纳米级温度检测使用金刚石量子传感器，它提供了选择性的灵敏度的温度变化。通过将该方案与使用纳米金刚石中的系综氮空位中心的连续泵浦-探测方案相结合，证明了具有3.7 K $\cdot$ Hz $^{-1/2}$的热灵敏度的亚微秒时间分辨率对2 G量级的外部磁场的变化不敏感。所提出的结果是有利的实际应用中的时间分辨纳米量子传感，温度成像下波动的磁场的要求。
2021-11-18 cond-mat.mes-hall physics.app-ph quant-ph
Highly sensitive macro-scale diamond magnetometer operated by dynamical decoupling sequence with coplanar waveguide resonator
利用金刚石中的氮空位（NV）中心进行量子磁测量的最终灵敏度受到NV中心数量和相干时间的限制。为了实现高灵敏度的磁力计，需要在大的检测体积上进行高且均匀的功率密度的微波辐照。在这里，我们展示了一个微波谐振器，以提高微波场的功率密度和光学系统的检测体积为1.4 e-3 mm $^3$。强微波场使我们能够实现48 ns的拉比振荡，这是足够快的相位弛豫时间的NV中心。该系统与去耦脉冲序列XY 16相结合，将自旋相干时间（T2）延长至自旋回波方法的27倍。因此，我们获得了10.8 pT/Hz $^{1/2}$的交流磁场灵敏度使用动态去耦脉冲序列。
2018-05-28 cond-mat.mes-hall quant-ph
Broadband Magnetometry and Temperature Sensing with a Light Trapping Diamond Waveguide
固态量子传感器由于其在室温下的优异灵敏度而引起了广泛的兴趣。特别是，金刚石中单个氮空位（NV）色心的自旋特性使其成为环境条件下磁场，电场和温度的杰出纳米级传感器。最近关于基于NV的整体磁力计、惯性传感器和时钟的工作已经采用$N$非纠缠色心来实现高达$\sqrt{N}$的灵敏度改进因子。然而，为了充分实现这种信号增强，需要新的技术来有效地激发并收集来自大NV系综的荧光。在这里，我们介绍了一个光捕获金刚石波导（LTDW）的几何形状，使高荧光收集（$\sim20\%$）和有效的泵浦吸收，实现超过$1$米在毫米大小的设备的有效路径长度。LTDW使得泵浦光子到光学检测的磁共振（ODMR）荧光的转换效率超过$2\%$，这是对先前单程几何结构的\textit{three orders of magnitude}改进。ODMR信号的这种显著增强使得能够在低于$1$ Hz的频率范围内对磁场和温度进行宽带测量，该频率范围是动态解耦技术无法达到的。我们证明了$\sim 1~\mbox{nT}/\sqrt{\mbox{Hz}}$磁场灵敏度为$0.1$ Hz至$10$ Hz，热灵敏度为$\sim 400 ~μ\mbox{K}/\sqrt{\mbox{Hz}}$，并分别估计了$\sim 0.36$ fT/ $\sqrt{\mbox{Hz}}$和$\sim 139~\mbox{pK}/\sqrt{\mbox{H…
2014-06-19 cond-mat.mes-hall physics.optics quant-ph
Enhancing Optical Readout from Diamond AFM Tips for Quantum Nanosensing
金刚石中的色心是量子纳米传感应用的有希望的候选者。光信号的有效收集是实现高灵敏度和高分辨率的关键，但它受到收集光学器件的限制。将色心嵌入金刚石微结构中可以帮助提高收集效率，但通常需要具有挑战性的制造和集成。在这里，我们调查的光致发光（PL）的硅空位（SiV）中心在市售的原子力显微镜（AFM）的金刚石金字塔（DP）的提示。我们发现DP几何结构有效地将DP顶点发射的PL引导到底部，在那里我们实验证明，与其他方向相比，PL收集增强了8倍。我们的实验观察是在良好的协议与数值模拟使用时域有限差分（FDTD）方法。我们的研究结果表明，原子力显微镜提示可能是一种经济，高效和直接的方式实现基于颜色中心的纳米传感，因为它们提供了增强的灵敏度和易于集成与现有的原子力显微镜平台。
2018-07-09 cond-mat.mes-hall physics.optics quant-ph
Broadband magnetometry by infrared-absorption detection of nitrogen-vacancy ensembles in diamond
我们证明了磁力检测的自旋状态的高密度氮空位系综在金刚石中使用在1042 nm的光吸收。利用这种技术，测量对比度和收集效率可以接近统一，从而与更常见的收集红色荧光的方法相比，提高了磁灵敏度。在75 K下工作，传感器的有效体积为$50 \times 50 \times 300$ μ m ^[3]，我们设计的光子散粒噪声极限灵敏度为1秒采集5 pT，带宽从直流到几兆赫。在梯度计配置中运行，在一秒的采集时间内，在~110 Hz下产生7 nTrms的本底噪声。
2010-10-30 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci physics.ins-det
Determination of local defect density in diamond by double electron-electron resonance
金刚石中的磁性杂质影响弛豫特性，从而限制了基于氮空位色心的磁、电、应变和温度传感器的灵敏度。金刚石样品中的杂质浓度可能会表现出显着的空间变化，阻碍弛豫路径的定量分析。在这里，我们提出了一个本地测量技术，可用于确定各种缺陷的浓度，通过利用双电子-电子共振。这种方法将有助于提高对自旋弛豫物理基础的理解，指导金刚石样品的开发，并提供优化传感的协议。
2021-04-01 cond-mat.mes-hall quant-ph
All-optical thermometry and the thermal properties of the optically detected spin resonances of the NV center in nano-diamond
金刚石中带负电荷的氮空位中心是量子纳米计量学和生物传感的前沿。近年来，利用纳米金刚石中NV中心的自旋共振，将高灵敏度测温技术应用于亚细胞生物学和生物医学研究，引起了人们的广泛关注。在这里，我们报告了一个全面的调查中心的自旋共振的热性质，并展示了一种替代的全光学NV测温技术，利用该中心的光学德拜-沃勒因子的温度依赖性。
2015-02-25 cond-mat.mes-hall quant-ph
Massively multiplexed nanoscale magnetometry with diamond quantum sensors
本文设计并实现了一种复用NV传感平台，利用低噪声相机并行读出数百个金刚石单个NV中心自旋态，实现与共聚焦测量相当的磁场灵敏度，并演示了复用协方差磁力测量，显著提升了纳米尺度传感的通量与应用范围。
2024-08-25 cond-mat.mes-hall quant-ph
High Thermal Conductivity of Back-End-of-Line Compatible Diamond Films
Peking University（北京大学）；Harbin Institute of Technology（哈尔滨工业大学）；Shenzhen Eversix Technology Co., Ltd.（深圳亿思科技有限公司）
该研究开发了400℃以下在硅上直接生长的多晶金刚石薄膜，其室温热导率达73、86 W·m⁻¹·K⁻¹，远高于传统介电材料，可作为后端制程兼容的热扩散介电层。
2026-08-11 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
High quality factor gigahertz frequencies in nanomechanical diamond resonators
我们报告驱动和检测千兆赫兹范围内的纳米晶体金刚石机械谐振器的谐振频率。高阶横向振动模式的测量在耦合梁谐振器表现出的频率高达1.441 GHz。谐振器的微悬臂阵列设计将微米长悬臂元件的千兆赫兹范围的谐振运动转换为中心支撑结构的位移。与单晶硅相比，纳米晶体金刚石的使用进一步将频率增加三倍。通常与微米级直光束相关的高箝位损耗在我们的谐振器的周期性几何形状中得到抑制，从而允许在500 MHz以上超过20，000的高品质因数。
2007-10-13 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
Magnetic-Field-Dependent Stimulated Emission from Nitrogen-Vacancy Centres in Diamond
金刚石中带负电荷的氮空位中心是很有希望的量子磁场传感器。激光阈值磁强计是通过增加信号强度和磁场对比度来提高NV中心系综灵敏度的理论方法。在这项工作中，我们实验证明激光阈值磁强计。我们使用了一个宏观的高精细激光腔，包含一个高度NV掺杂和低吸收的金刚石增益介质，在532 nm泵浦和共振种子在710 nm。这使得通过受激发射将信号功率放大64%。我们显示的放大的磁场依赖性，因此，证明磁场依赖的受激发射从NV中心合奏。该发射显示出33%的创纪录对比度和mW范围内的最大输出功率。NV中心的相干读出的这些优点为量子缺陷的新型腔和激光应用以及具有显著提高的灵敏度的金刚石NV磁场传感器铺平了道路，用于健康、研究和采矿部门。
2021-09-10 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci physics.optics
Recursive polarization of nuclear spins in diamond at arbitrary magnetic fields
我们介绍了一种替代的路线，动态计算的核自旋主机的氮空位（NV）中心的金刚石。我们的方法阐明了光学，微波和射频脉冲递归地转移自旋极化从NV电子自旋。使用相同的基本原理的两个互补的变体，我们证明了氮核自旋初始化接近80%，在室温下，无论是在合奏和单NV中心。与现有方案不同，我们的方法不依赖于水平反交叉，因此适用于任意磁场。这种多功能性应该证明是有用的应用范围从纳米计量灵敏度增强NMR。
2014-12-17 cond-mat.mes-hall quant-ph
Exploring the nonlinear regime of light-matter interaction using electronic spins in diamond
研究了非线性条件下金刚石中缺陷与超导微波谐振腔的耦合。带负电荷的氮空位和P1缺陷进行了探讨。测量的腔模响应表现出强的非线性附近的自旋共振。数据与理论预测进行了比较，并在很宽的外部控制参数范围内获得了良好的一致性。本文研究的非线性效应有望在任何基于腔的磁共振成像技术中发挥作用，并对其灵敏度施加基本限制。
2018-06-12 cond-mat.mes-hall quant-ph
Optimal architecture for diamond-based wide-field thermal imaging
金刚石中的氮空位中心具有强烈依赖于温度的电子自旋共振，这使得它们成为灵敏度低至几mK/ $\sqrt{\rm Hz}$的有效温度传感器。然而，基质金刚石的高导热性可能强烈地抑制任何温度变化，从而导致在探测局部温度分布时的侵入性测量。鉴于确定可能的和最佳的配置金刚石为基础的宽场热成像，我们在这里调查，实验和数值模拟，金刚石的存在对微尺度温度分布的影响。研究了三种几何构型：块状金刚石衬底、结合在石英上的金刚石薄层和分散在石英上的金刚石纳米颗粒。我们表明，使用散装金刚石衬底的热成像是高度侵入性的，在这个意义上说，它可以防止任何实质性的温度升高。相反，薄金刚石层部分解决了这个问题，并可能为微尺度热成像提供一种可能的替代方案。整个样品中金刚石纳米颗粒的分散似乎是最相关的方法，因为它们不影响温度分布，尽管与块状金刚石相比，纳米金刚石中的NV中心产生较低的温度敏感性。
2020-01-27 cond-mat.mes-hall physics.app-ph
Stable Three-Axis Nuclear Spin Gyroscope in Diamond
提出了一种灵敏稳定的三轴金刚石陀螺。我们通过利用与金刚石中氮空位中心相关的N14核自旋的长相干时间以及其电子自旋的有效极化和测量来实现高灵敏度。虽然陀螺仪是基于一个简单的拉姆齐干涉方案，我们使用量子传感器的相干控制，以提高其相干时间以及其对长时间漂移的鲁棒性，从而实现了一个非常强大的设备，分辨率为0.5mdeg/s/（Hz mm^3）^（1/2）。此外，我们利用氮空位中心的四个离域轴来测量旋转速率，而且还测量其方向，从而获得紧凑的三轴陀螺仪。
2012-05-07 cond-mat.mes-hall quant-ph
Real-time Amplitude and Phase Estimation of AC Fields with Diamond Spins
School of Science, RMIT University（皇家墨尔本理工大学理学院）
本研究利用钻石自旋实现了交流电场的实时振幅与相位估计，通过单次测量获取高灵敏度的电场信息，并展示了实时动态调整探测频率的能力。
2026-02-27 cond-mat.mes-hall quant-ph
Wide-field dynamic magnetic microscopy using double-double quantum driving of a diamond defect ensemble
宽场磁测量可以通过对金刚石氮空位（NV）中心系综的光学检测磁共振成像来实现。然而，NV系综不均匀性显着限制了这些测量的磁场灵敏度。我们展示了双双量子（DDQ）驱动技术，以促进宽场磁成像的动态磁场在微米尺度上。DDQ成像采用四音射频脉冲来抑制NV共振响应的不稳定性引起的变化。作为一个证明的原则，我们使用的DDQ技术的图像的直流磁场所产生的单个DNA分子拴在钻石传感器表面的磁性纳米粒子。这证明了金刚石NV系综系统在高帧率磁显微镜以及单分子生物物理学应用中的功效。
2021-01-15 cond-mat.mes-hall physics.app-ph
Observing bulk diamond spin coherence in high-purity nanodiamonds
金刚石中的氮空位中心（NVs）是跨量子信息科学和纳米磁性和温度测量的研究热点。虽然超纯块状金刚石纳米粒子在光学可达自旋中维持最长的自旋相干时间，但纳米金刚石纳米粒子显示出持续较差的自旋相干性。在这里，我们介绍了高纯度纳米金刚石容纳记录长的NV相干时间，>60 us，通过通用动态去耦观察。我们发现，退相干的主要贡献来自附近的氮杂质，而不是表面状态。我们保护NV自旋自由进动，直流磁力测量所必需的，通过驱动这些杂质到运动窄化制度。这将NV自由感应衰减时间从440 ns（比Ib型块状金刚石长）延长到1.27 us（与IIa型（无杂质）金刚石相当）。这些特性允许在基于金刚石的紧急量子技术中同时利用高灵敏度和纳米分辨率。
2013-10-03 cond-mat.mes-hall quant-ph
