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
Ramsey Envelope Modulation in NV Diamond Magnetometry
金刚石中的氮空位（NV）自旋系综提供了一个先进的磁传感平台，在物理和生命科学中都有应用。同位素工程$^{15}$ NV金刚石的开发提供了优于天然存在的$^{14}$ NV用于磁力测定的优点，这是由于其更简单的超精细结构。然而，对于需要不与感测NV轴对准的偏置磁场的感测模态，在$^{15}$ N核自旋中不存在四极矩导致在$^{15}$ NV自旋演化的时间依赖性测量中的显著包络调制效应。虽然自旋回波实验中的这种行为得到了很好的研究，但拉姆齐测量中的类似效应以及对磁力测量的影响仍然没有得到充分的探索。在这里，我们推导出调制的$^{15}$ NV拉姆齐响应失调的偏置场，使用一个简单的矢量描述的有效磁场的核自旋。然后将预测的调制特性与实验结果进行比较，发现如果未解决，将出现显著的磁灵敏度损失。我们证明了NV $S=1$电子自旋态的双量子相干性极大地抑制了这些包络调制，同时还证明了对其他寄生效应（如应变异质性和温度漂移）的弹性。
2022-05-05 cond-mat.mes-hall quant-ph
Zero-field magnetometry using hyperfine-biased nitrogen-vacancy centers near diamond surfaces
金刚石中的浅氮空位（NV）中心对于纳米磁力测量来说很有前途，因为它们可以放置在目标附近。为了研究内禀磁性，零场磁测量是可取的。然而，对于零场下的浅NV中心，金刚石表面附近的应变将导致自旋态之间的水平反交叉，导致其频率对磁信号不敏感的时钟跃迁。此外，来自表面的电荷噪声会引起额外的自旋退相干，从而降低磁灵敏度。在这里，我们证明，相对较强的超精细耦合（130 MHz）从第一壳层13 C核自旋可以提供一个有效的偏置场的NV中心自旋，使时钟跃迁条件被打破，电荷噪声被抑制。超精细偏置增强了直流磁灵敏度的22倍，在我们的设置。随着电荷噪声被强超精细场抑制，零场下的交流磁测量也达到了核自旋浴引起的退相干所设定的极限。此外，NV中心自旋跃迁的130 MHz分裂允许同时在两个分离良好的频率（~2.870 +/- 0.065 GHz）处对磁噪声进行弛豫测量，提供了零场下高频噪声的（低分辨率）光谱信息。超精细偏置增强零场磁测量可以与动态解耦相结合，以增强单分子磁共振光谱，并提高纳米磁共振成像中的频率分辨率。
2021-09-12 cond-mat.mes-hall 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
(111)-oriented, single crystal diamond tips for nanoscale scanning probe imaging of out-of-plane magnetic fields
本文提出了一种用于（111）取向金刚石材料的氮空位（NV）磁扫描的全金刚石扫描探针。所实现的扫描探针尖端平均包含单个NV自旋，其中四分之一的自旋量子化轴平行于尖端方向对齐。这种尖端能够实现具有纳米级分辨率的单轴矢量磁场成像，其中测量轴垂直于扫描平面定向。我们讨论了这些提示如何为NV磁力测量带来多种实际优势，特别是关于所得数据的定量分析。我们进一步证明了沿尖端方向取向的NV的有益光学性质，例如偏振不敏感激发，这简化了NV磁力测量所需的光学设置。我们的研究结果将是有影响力的扫描NV磁强计在一般和自旋电子学的应用，特别是薄膜磁体的调查。
2019-11-18 cond-mat.mes-hall quant-ph
Subnanotesla quantum-interference magnetometry with a single spin in diamond
我们展示了一种利用金刚石中氮空位中心的磁测量技术，该技术利用相干双光子跃迁。我们发现，同位素提纯的金刚石对磁场的灵敏度可以显著提高。此外，磁场测量的长期稳定性显著增强，从而减少了准静态场和周期性场的最小可检测长期场变化。该方法对于传感应用和作为自旋量子位操纵技术都是有用的。
2015-09-04 quant-ph
Spin ensemble-based AC magnetometry using concatenated dynamical decoupling at low temperatures
金刚石中的氮空位（NV）中心系综被广泛用作交流磁力计。虽然这样的测量通常使用标准（XY）动态去耦（DD）协议在室温下进行，我们研究了通过利用各种DD协议实现的灵敏度，用于测量在10-250 kHz范围内的频率，在室温和77 K的交流磁场。通过对同位素纯的$^{12}$ C样品进行测量，我们发现Carr-Purcell-Meiboom-Gill（CPMG）方案对脉冲缺陷不鲁棒，对于磁力测定的效率低于鲁棒的XY序列。基于XY的标准协议的级联可以仅增强用于测量高频场的灵敏度，对于高频场，许多（$> 500$）DD脉冲是必要的，并且针对脉冲缺陷的鲁棒性是关键的。此外，我们表明，冷却是有效的，仅用于测量低频场（~10 kHz），实验时间approaches $T_1$在少量的应用DD脉冲。
2017-12-12 cond-mat.mes-hall quant-ph
Wide-field magnetometry with nitrogen-vacancy centers in randomly oriented micro-diamonds
近年来，金刚石中氮空位色心的磁学研究引起了人们极大的兴趣。磁场的三维定向的绝对知识对于许多应用是必要的。传统的磁力测量通常使用具有薄NV层的块状金刚石中的NV集合或金刚石尖端形式的扫描探针来执行，这需要光滑的样品表面和探测装置的接近度，通常限制了感测能力。在这里，我们提出了一种用于确定相对于金刚石晶格的磁场矢量的三维取向的方法。我们证明了沉积在平面上的任意取向的亚微米尺寸的金刚石粉末中的NV中心可以用于感测磁场。我们的工作可以扩展到不规则的表面，这显示了一个有前途的路径纳米金刚石为基础的光子传感器。
2022-10-30 quant-ph
Construction and operation of a tabletop system for nanoscale magnetometry with single nitrogen-vacancy centers in diamond
金刚石中的单个氮空位中心是固态量子磁强计的主要候选者，该磁强计能够检测单个核自旋，并具有在纳米尺度下的核磁共振（NMR）的应用前景。尽管如此，许多化学家和生物学家仍然不太容易使用NV磁力计，因为它的实验设置和操作原理与传统的NMR完全不同。在这里，我们设计，构建和操作一个紧凑的桌面大小的系统，量子传感与一个单一的NV中心，主要是从商业上可用的光学元件和电子产品。我们表明，我们的设置可以实现国家的最先进的量子传感协议，使检测单个$^{13}$ C核自旋在金刚石和它们的相互作用参数的表征，以及检测一个小的合奏质子核自旋在金刚石表面上。这篇文章提供了广泛的讨论的设置和实验程序的细节，我们的系统将重现那些谁没有在NV中心以前的工作。
2020-02-06 cond-mat.mes-hall quant-ph
Quantum dynamic response-based NV-diamond magnetometry: Robustness to decoherence and applications in motion detection of magnetic nanoparticles
本文提出基于量子动力学响应的NV-钻石磁测量协议，通过Berry曲率提取和淬火设计实现标量/矢量磁场及磁性纳米粒子运动检测，并证明该方案对退相干具有鲁棒性，且核自旋极化消失反而有利于传感。
2023-07-11 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
Robust High-Dynamic-Range Vector Magnetometry via Nitrogen-Vacancy Centers in Diamond
我们展示了一个强大的，无标度因子的矢量磁力计，它使用一个闭环频率锁定计划，同时跟踪塞曼分裂共振对的氮空位（NV）中心在金刚石。与开环方法相比，该技术对温度，谐振线宽和对比度的波动具有鲁棒性;提供了三个数量级的动态范围增加;并允许同时询问多个过渡频率。通过直接检测沿金刚石的四个四面体晶轴中的每一个对齐的NV中心的共振频率，我们执行所施加的磁场的全矢量重建。
2018-02-27 cond-mat.mes-hall physics.app-ph physics.ins-det
A physically unclonable function using NV diamond magnetometry and micromagnet arrays
物理不可克隆功能（PUF）是一种嵌入式硬件安全措施，可提供防伪造保护。在这里，我们提出了我们的工作，使用随机磁化的微米大小的铁磁棒（微磁铁）阵列作为PUF。我们采用4 $μ$ m厚的金刚石表面层的氮空位（NV）中心的图像的磁场从阵列中的每个微磁体，之后，我们提取每个微磁体的磁极性，使用图像分析技术。在评估了微磁体阵列PUF的随机性和NV读出的灵敏度之后，我们通过讨论未来可能的增强以提高安全性和磁读出来得出结论。
2020-02-19 cond-mat.mes-hall physics.ins-det quant-ph
Absorptive laser threshold magnetometry: combining visible diamond Raman lasers and nitrogen-vacancy centres
我们提出了一个高灵敏度的磁力计计划的基础上，钻石拉曼激光器与可见泵浦吸收的相干微波驱动的带负电荷的氮空位中心（NV）在同一金刚石晶体的合奏。NV中心的吸收和发射是自旋相关的。我们展示了NV中心的不同吸收如何改变拉曼激光输出。在外加磁场和微波驱动下，金刚石拉曼激光器的阈值和输出都发生了变化。我们发展了一个理论框架，包括稳态的解决方案来描述相干驱动的金刚石拉曼激光器中的NV中心的影响。我们讨论了这样的激光器工作在阈值可以用于磁场传感。与先前关于具有可见激光吸收的NV磁力测定的研究相比，由于测量信号中的低背景光，预期激光阈值磁力测定方法具有低技术噪声。对于磁场传感，我们项目的散粒噪声有限的直流灵敏度的几个$\mathrm{pT}/\sqrt{\mathrm{Hz}}$在一个良好的校准腔与现实的参数。该传感器采用NV中心的宽可见光吸收，并且与先前的激光阈值磁力测量提案不同，它不依赖于主动NV中心激光发射或NV中心红外吸收线的特定波长处的红外激光介质。
2021-01-20 quant-ph
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
Suppression of spin bath and low-frequency noise for sub-MHz AC magnetometry based on double-dressed spin qubit in diamond
本文提出利用级联连续动力学解耦形成单、双缀饰态以抑制金刚石量子比特的自旋浴耦合和低频噪声，实现低于1 MHz弱AC信号检测，SNR最高达17。
2025-06-09 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
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
Nuclear spin pair coherence in diamond for atomic scale magnetometry
氮空位（NV）中心作为量子信息处理的候选固态系统，其电子自旋相干性受到局域环境引起的磁场涨落的影响。在纯钻石中，环境由数百个C-13核自旋组成，这些自旋在几纳米范围内随机分布，形成一个自旋浴。在自旋浴的影响下控制和延长电子自旋相干性是量子信息处理的挑战性任务。另一方面，对于一个给定的浴分布，它的许多字符编码在电子自旋相干。因此，很自然地提出这样的问题：是否有可能“解码”电子自旋相干性，并提取有关浴结构的信息？在这里，我们表明，在数百个C-13浴自旋，存在强耦合集团，这引起的电子自旋相干的毫秒振荡。通过分析这些振荡特征，可以唯一地确定相干核自旋团簇的位置、取向和耦合强度等关键性质。这种少核自旋团簇的可寻址性扩展了在量子计算中使用金刚石中的核自旋作为量子比特的可行性。此外，它提供了一个新的原型单电子自旋为基础的，高分辨率和超灵敏的检测器的化学和生物应用。
2010-03-23 cond-mat.mes-hall quant-ph
Continuous dynamical decoupling magnetometry
固态量子比特有望实现灵敏度和空间分辨率的无与伦比的组合。然而，为了实现它们的潜力，量子比特需要被屏蔽，免受环境的有害影响。虽然动态去耦技术可以改善相干时间，但它们在灵敏度和带宽之间强加了折衷，因为更高的去耦功率对应于待测量场的更高频率。此外，脉冲序列的性能最终受到控制界限和误差的限制。在这里，我们分析了一种基于连续驾驶的多功能替代方案。我们发现，连续动态解耦计划可用于交流磁力，提供类似的频率限制的交流领域和提高灵敏度的一些噪声制度。此外，相位和幅度调制的灵活性可以产生对驱动误差的优异鲁棒性和对外部实验场景的更好适应性。
2012-07-24 quant-ph
Master equation-based model for infrared-based magnetometry with nitrogen-vacancy centers in diamond cavities: a path to sub-picotesla sensitivity at sub-millimeter scales
本研究开发了结合红外光饱和效应的光学探测磁共振主方程模型，用于单片金刚石腔中氮-空位中心测磁，证明其在亚毫米尺度下有望实现亚皮特斯拉级灵敏度。
2024-11-14 quant-ph
Calibration-Free Vector Magnetometry Using Nitrogen-Vacancy Center in Diamond Integrated with Optical Vortex Beam
本文报道了一种新的方法来确定单个氮空位（NV）中心在大块金刚石中的取向，并利用它们实现了具有纳米级分辨率的免校准矢量磁力计。采用光学涡旋光束对[111]取向金刚石的NV心进行光激发和扫描。不同取向的NV中心的扫描荧光图案是完全不同的。因此，可以直接知道关于晶格中的每个NV中心的取向信息，而无需任何校准过程。此外，我们使用三个不同取向的NV中心，以形成一个磁强计和重建的完整矢量信息的磁场的基础上，光学检测磁共振（ODMR）技术。与以往的方案相比，实现矢量磁测量使用NV中心，我们的方法是更有效的，很容易应用于其他NV为基础的量子传感的应用。
2021-02-04 quant-ph
Cavity-enhanced room-temperature magnetometry using absorption by nitrogen-vacancy centers in diamond
我们提出了一种基于金刚石中氮空位中心的腔增强型室温磁场传感器。使用与1042 nm自旋单态跃迁共振的光的吸收来检测磁共振。将金刚石放置在外部光学腔中以增强吸收，即使在室温下也观察到显著的吸收。我们证明了磁场灵敏度为2.5 nT/sqrt（Hz），并且对于几mW的红外线，设计了70 pT/sqrt（Hz）的光子散粒噪声限制灵敏度，并且对于90 um x 90 um 200 um的感测体积，设计了250 fT/sqrt（Hz）的量子投影噪声限制灵敏度。
2014-01-10 quant-ph
Zero-field magnetometry based on nitrogen-vacancy ensembles in diamond
金刚石中的氮空位（NV）中心的集合体被广泛用于磁力测量、磁场成像和磁共振检测。它们还没有被用于在零环境场下的磁力测定，因为塞曼子能级失去了对磁场的一阶灵敏度，因为它们由于晶体应变或电场而混合。在这项工作中，我们实现了零场（ZF）磁强计使用极化选择微波激发在12 C富集HPHT晶体样品。我们采用圆偏振微波来处理光学检测磁共振中的特定跃迁，并以250 pT/Hz^（1/2）的噪声基底进行磁力测定。该技术打开了用于ZF磁传感的NV传感器的实际应用的大门，例如ZF核磁共振，以及生物系统中磁场的研究。
2019-07-03 physics.app-ph quant-ph
Nanoscale magnetometry using a single spin system in diamond
我们提出了一个协议来估计磁场使用一个单一的氮空位（N-V）中心的钻石，其中的估计精度与时间成反比，~1/T$，而不是时间的平方根。该方法是基于将磁力测量的任务转换为相位估计，使用自适应或非自适应反馈控制对单个N-V核自旋执行量子相位估计，以及最近证明的在N-V内执行单次读出的能力[P. Neumann et.例如，Science 329，542（2010）]。数值模拟结果表明，该方法的估计精度接近1/T（T是总的估计时间），并且此外将给出N-V经历的静态磁场的明确估计。通过将该协议与最近提出的使用N-V的扫描磁力测量相结合，我们的协议将提供信号采集时间的显著减少，同时提供磁场的明确空间图。
2011-03-24 quant-ph
Mapping the Microscale Origins of MRI Contrast with Subcellular NV Diamond Magnetometry
磁共振成像（MRI）是一种广泛使用的生物医学成像模式，其大部分对比度来自生物组织中的微尺度磁场梯度。然而，这些子体素场模式和MRI对比度之间的连接尚未进行实验研究。在这里，我们描述了一种新的方法来映射亚细胞磁场在哺乳动物细胞和组织中使用氮空位金刚石磁力测量和连接这些地图体素尺度的MRI对比度，在体内成像和造影剂的设计提供见解。
2016-10-06 physics.bio-ph physics.med-ph quant-ph
Diamond magnetometry and gradiometry towards subpicotesla DC field measurement
金刚石中的氮空位（NV）中心已经发展成为紧凑型量子传感器的强大固态平台。然而，高灵敏度测量通常伴随着对激光器的泵浦强度和所应用的脉冲控制的附加约束。在这里，我们展示了高灵敏度的NV合奏为基础的磁场测量与低强度的光激发。DC磁力测量方法，例如，连续波光学检测的磁共振和连续激发的拉姆齐测量结合锁定检测，进行了比较，以得到一个优化。还研究了非屏蔽测量未知梯度的一个步骤。通过进一步应用传感尺寸为2 mm的磁通导向器，磁力计在73 s的测量中显示出0.3-0.7 pT的最小可检测磁场，对应于2.6-6 pT/Hz ^[0.5]的磁场灵敏度。结合我们以前在金刚石交流磁力仪上的努力，金刚石磁力仪有希望在环境条件下执行具有皮特斯拉灵敏度和1/4毫米感测体积的宽带宽磁力仪。
2021-06-21 physics.app-ph quant-ph
Diamond Nitrogen-Vacancy Center Magnetometry: Advances and Challenges
金刚石氮空位中心磁测量技术近年来受到应用物理和传感器领域研究人员的广泛关注。本文对金刚石NV中心磁测法的原理、灵敏度、技术发展潜力及应用前景进行了综述。简要介绍了NV心的物理特性，概述了NV心磁强计的基本原理，分析了NV心磁强计的理论灵敏度，讨论了技术噪声对NV心磁强计的影响。此外，最关键的技术，影响NV中心磁强计的性能进行了描述：金刚石样品制备，微波操作，荧光收集，和激光激发。讨论了该技术的理论和技术关键问题、可能的解决方案和研究技术路线。此外，本文还讨论了常规技术条件下技术噪声的影响，以及由理论灵敏度和技术噪声决定的实际灵敏度。可以设想，通过优化设计可以实现的灵敏度约为10 fT/Hz ^[1/2]。最后给出了金刚石NV中心磁强计的应用前景。
2020-10-20 physics.app-ph quant-ph
Vector Magnetometry with Broadband Microwave Fields in Nitrogen-Vacancy Centers in Diamond
University of Rostock（罗斯托克大学）；National Research Council of Canada（加拿大国家研究委员会）；University of Ottawa（渥太华大学）；McGill University（麦吉尔大学）
提出一种利用氮空位中心进行全矢量磁力测量的新方法，通过两个正交偏振宽带微波脉冲和深度神经网络分析，实现各磁场分量的独立读出，灵敏度达5-100 pT/√Hz，精度约nT，无需偏置磁场。
2026-06-01 cond-mat.mes-hall quant-ph
High precision Optical AC Magnetometry using Dynamical Decoupling
我们提出了一种磁力计的精确测量交流磁场，它使用了一个掺铽光纤与半波片内置到它在指定的距离。我们的方案使用一种称为动态解耦的开环量子控制技术来降低本底噪声，从而提高灵敏度。我们表明，动态去耦是非常有效的保存光子状态的演变，由于外部AC磁场从随机双折射的光纤，即使占脉冲定时的错误。因此，我们实现了高灵敏度。对于给定的波片间距离，最小可检测场与光纤长度成反比，可检测频率的带宽也是如此。
2018-07-23 quant-ph
Scanning nitrogen-vacancy center magnetometry in large in-plane magnetic fields
金刚石中氮空位中心的扫描磁强计已成为研究纳米级弱杂散场模式的强大显微镜。然而，由于自旋缺陷的内部晶体各向异性，外部偏置场-对于磁性材料的研究至关重要-必须沿特定的空间方向施加。特别地，由{100}切割金刚石制成的最常见的金刚石探针仅支持与表面法线成$θ= 55^\circ$角的场。在本文中，我们报告了扫描金刚石探针的{110}切割金刚石的自旋各向异性轴位于扫描平面（$θ=90^\circ$）。我们发现，这些探头保持其灵敏度在大的平面内的领域，并展示扫描磁力计的域图案的Co-NiO膜在施加的领域高达40 mT。我们的工作扩展了扫描NV磁力测量的重要类别的材料，需要大的面内磁场。
2022-01-19 cond-mat.mtrl-sci quant-ph
High homogeneity permanent magnet for diamond magnetometry
Halbach磁体是封闭体积中的均匀磁场源，同时将杂散场保持在最小值。在这里，我们提出了一个10 cm内径的双Halbach环的设计、构造和表征，该环提供约105 mT的均匀（<100 ppm，1 x 1 x 0.5 cm 3）磁场，将用于金刚石基无微波宽场成像设置。最后的表征是用一种新型的基于纤维化金刚石的传感器在3D平移台上进行的，记录了所构建的Halbach阵列的高均匀性及其对拟议用途的适用性。
2020-08-17 physics.app-ph physics.ins-det quant-ph
Tutorial: Magnetic resonance with nitrogen-vacancy centers in diamond---microwave engineering, materials science, and magnetometry
这篇教程文章提供了一个简洁和教学概述负电荷的氮空位（NV）中心的钻石。NV中心的研究因其在量子传感中的应用而引起了极大的关注，不仅包括物理学和应用物理领域，而且还包括化学、生物学和生命科学领域。尽管如此，其关键技术方面可以从磁共振的角度来理解。我们专注于这一不断扩大的研究领域的三个方面，我们的观点是特别相关的：微波工程，材料科学和磁力学。通过对这些方面的阐述，为NV中心的研究提供了技术基础和最新技术。
2018-02-22 cond-mat.mtrl-sci quant-ph
Axon Hillock Currents Allow Single-Neuron-Resolution 3-Dimensional Functional Neural Imaging Using Diamond Quantum Defect-Based Vector Magnetometry
随着磁场传感技术的发展，通过检测动作电位相关磁场（APMF）来测量脑中单个神经元的功能活动正成为一种可行的替代方法。由于蠕虫的大轴突的尺寸，测量其APMF是可能的。在哺乳动物大脑中，轴突的大小，数量和路线，限制了使用这种功能成像方法。利用哺乳动物锥体神经元分段模型，我们发现轴突丘区的轴内电流的APMF比其他神经元部位的大两个数量级。通过宽场金刚石-氮-空位-中心-磁力测定法（DNVM）模拟了神经元体积的自然尖峰活动的预期2维矢量磁场图。基于字典的匹配追踪型算法应用于使用轴突丘的APMF签名的数据，允许以单细胞分辨率在脑组织体积中时空重建AP。因此，APMF信号的增强加上NVMM的进步，可能会取代目前的功能性脑映射技术。
2020-04-29 cond-mat.mes-hall physics.app-ph q-bio.NC
Light Dark Matter Search with Nitrogen-Vacancy Centers in Diamonds
本研究提出利用金刚石氮-空位中心的直流与交流磁测量探测轴子、暗光子等轻暗物质，并评估其对暗物质耦合的灵敏度。
2025-03-14 cond-mat.mes-hall hep-ex hep-ph
A robust laser cavity platform for NV-diamond singlet infrared absorption magnetometry
RMIT University（皇家墨尔本理工大学）；The University of Melbourne（墨尔本大学）；Fraunhofer Institute for Applied Solid State Physics IAF（弗劳恩霍夫应用固体物理研究所）；National Institutes for Quantum Science and Technology: QST（量子科学技术研究院）；Tohoku University（东北大学）；Adelaide University（阿德莱德大学）；MOGLabs
本文提出一种紧凑且机械稳定的NV-钻石单重红外吸收磁度计平台，通过近阈值操作实现五倍的ODMR对比度增强，但同时也面临探测激光噪声增加的挑战。
2026-04-21 quant-ph
Millimeter-scale rigid diamond probe for high sensitivity endoscopic-magnetometry applications
School of Instrumentation and Optoelectronic Engineering, Beihang University（北京航空航天大学仪器科学与光电工程学院）；Beijing Quantum Technology Research and Development Center（北京量子技术研发中心）
本研究提出一种毫米级刚性钻石磁力计探针，通过优化光学设计提高灵敏度，实现200 pT/Hz1/2的灵敏度，适用于高灵敏度内窥镜磁力计应用。
2026-02-04 physics.app-ph physics.ins-det physics.optics
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
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
Methods for traceable scanning magnetometry using single nitrogen vacancy centers in diamond: determining orientation, distance and localization
RPTU University of Kaiserslautern-Landau（凯泽斯劳滕-兰道理工大学）；Johannes Gutenberg-Universität Mainz（约翰内斯·古腾堡美因茨大学）
本研究开发了基于金刚石单个NV中心的扫描磁力测量方法，无需外部矢量磁控制即可精确测得NV与样品的距离、NV方位取向，还可检测表面污染并估算NV横向位置，实现了可溯源的纳米级磁成像。
2026-08-27 cond-mat.mes-hall physics.app-ph quant-ph
High Field Diamond Magnetometry Towards Tokamak Diagnostics
University of Warwick（华威大学）；Element Six Innovation（元素六创新公司）
本研究展示了一种在高磁场下工作的钻石NVC磁度计，用于托卡马克诊断，实现了高灵敏度的磁共振测量。
2026-01-19 physics.app-ph physics.ins-det physics.optics
Robust gigahertz-range ac magnetometry with an ensemble of NV centers in diamond using concatenated continuous dynamical decoupling
Ulm University（乌尔姆大学）；Racah Institute of Physics, The Hebrew University of Jerusalem（拉卡物理研究所，耶路撒冷希伯来大学）；Advanced Materials Laboratory, Sumitomo Electric Industries Ltd.（住友电工株式会社先进材料实验室）；Quantum Materials and Applications Research Center, National Institutes for Quantum Science and Technology（量子科学和技术研究院量子材料与应用程序研究中心）；Faculty of Pure and Applied Sciences, University of Tsukuba（筑波大学理工学部）
本文提出级联连续动态去耦方法，在空间不均匀场下实现金刚石NV集合体的GHz交流磁测量，相比直接拉比法显著扩展了弱信号测量范围。
2026-09-11 quant-ph
Nanoscale covariance magnetometry with diamond quantum sensors
金刚石中的氮空位（NV）中心是具有长自旋相干时间的原子级缺陷，可用于以高灵敏度和空间分辨率感测磁场。通常，通过对具有单个NV中心的许多连续测量进行平均来测量单个点处的磁场投影，或者通过对许多NV中心的集合进行空间平均来重构磁场分布。在对许多单NV中心实验求平均值时，两种技术都丢弃了信息。在这里，我们提出并实现了一种新的传感方式，即两个或更多的NV中心同时测量，我们提取的时间和空间的相关性，否则将无法访问的信号。我们解析地推导出存在环境噪声、量子投影噪声和读出噪声时的可测量两点相关器。我们表明，优化读出噪声是至关重要的测量相关性，我们实验证明测量相关的应用噪声使用两个NV中心的自旋-电荷读出。我们还实现了一个频谱重建协议，以解开本地和非本地噪声源，并证明了独立控制的两个NV中心可以用来测量的时间结构的相关性。我们的协方差磁测量方案在研究时空结构因子和动力学方面有许多应用，并开辟了纳米传感的新前沿。
2022-09-19 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci quant-ph
Room-temperature Composite-pulses for Robust Diamond Magnetometry
传感器与环境之间的非均匀耦合以及量子控制中的误差都对实际量子磁强计的灵敏度提出了挑战。基于现代量子传感的物理准则，通过优化控制场的调制，提出了一种鲁棒有效的复合脉冲，用于高保真度的传感器和控制误差的非均匀展宽。这种技术在金刚石中的氮空位（NV）中心上得到验证，以保持几乎完美的操作直到失谐量如$110\%$那样大。实验结果表明，NV中心系综的灵敏度比常规矩形脉冲动态解耦的灵敏度提高了$4$倍。我们的工作标志着在现实系统中实现不完美量子控制的高可靠超灵敏量子传感的重要一步。然而，所使用的原理是通用的，并且不限于NV中心集合磁力仪。
2018-11-01 quant-ph
Limits of absolute vector magnetometry with NV centers in diamond
本文研究了金刚石中NV中心绝对矢量磁力计的极限，推导了精确计算共振频率与磁场向量的公式，并评估了常用近似值的准确性，同时提出使用Voigt轮廓模型提高共振线宽的测量精度。
2025-11-24 physics.data-an quant-ph
Polarization-sensitive vector magnetometry using nitrogen-vacancy centers in diamond
School of Physics and Astronomy, Monash University（莫纳什大学物理与天文学院）
本文利用金刚石中氮-空位（NV）中心系综，以相位敏感方式测量时变磁场的矢量分量并确定其偏振，从而获取附近有损或各向异性材料响应及电流电抗等磁环境信息。
2026-10-14 physics.app-ph quant-ph
Infrared laser magnetometry with a NV doped diamond intracavity etalon
我们提出了一种混合激光系统，它由半导体外腔激光器和腔内掺氮空位色心的金刚石标准具组成。我们认为激光发射调谐到红外吸收线，增强下的磁场依赖的氮空位电子自旋共振，并表明这种架构导致一个紧凑的固态磁强计，可以在室温下操作。由输出激光束的光子散粒噪声限制的对磁场的灵敏度被估计为大约$250~\mathrm{fT/\sqrt{Hz}}$。与通常的NV中心红外磁强计不同，这种方法不需要外部频率稳定的激光器。由于所提出的系统依赖于激光阈值和腔内吸收之间的竞争，这种基于激光的光学传感器可以容易地适应于各种各样的物理系统。
2018-10-18 physics.optics quant-ph
Picotesla magnetometry of microwave fields with diamond sensors
研制高性能的微波场传感器具有重要的理论意义和实际应用价值，其应用范围从天文学到通信工程。金刚石中的氮空位（NV）中心由于其磁敏感性、稳定性和与环境条件的兼容性而成为一个有吸引力的候选者。然而，现有的基于NV中心的磁力计在微波频带中具有有限的灵敏度。在这里，我们提出了一个连续的外差检测方法，可以提高传感器的响应弱微波，即使在没有自旋控制。实验上，我们实现了8.9 pT $\cdot$ Hz $^{-1/2}$的灵敏度为2.9 GHz的微波同时使用的$n_{\text{NV}} \sim 2.8\times10^{13}$ NV中心内的传感器体积$4\times10^{-2}$毫米$^3$的合奏。此外，我们还实现了频率分辨率的$1/t$缩放，测量时间$t$为10000 s。该方法消除了控制脉冲，有利于金刚石微波传感器的实际应用。
2022-08-11 quant-ph
Sensing of Fluctuating Nanoscale Magnetic Fields Using NV Centres in Diamond
基于金刚石中的氮空位（NV）缺陷的新的磁力测量技术允许静态（DC）和振荡（AC）纳米磁性系统的成像。然而，这些技术需要准确的知识和控制的样品动力学，并因此限制了他们的能力，从快速波动（FC）的环境所产生的图像领域。我们在这里展示了FC场对NV量子比特磁强计的直流场灵敏度的限制，并且通过探测磁性FC环境中量子比特的失相速率，我们能够测量波动率和RMS场强，否则使用DC和AC磁力测量技术将无法获得这些。FC的灵敏度与AC场的灵敏度相当，同时不需要额外的实验管理费用或对样本的控制。
2009-07-14 cond-mat.mes-hall quant-ph
Sensitive AC and DC Magnetometry with Nitrogen-Vacancy Center Ensembles in Diamond
通过定制金刚石生长、双量子序列和P1驱动，实现了迄今最灵敏的氮-空位块体磁强计，宽带直流灵敏度约460 fT·s^1/2，窄带交流灵敏度约210 fT·s^1/2。
2023-05-10 cond-mat.mes-hall physics.app-ph physics.atom-ph
A Hahn-Ramsey Scheme for Dynamical Decoupling and DC Magnetometry with Single Solid-State Qubits
固态材料中的自旋系统是量子信息或量子传感的有希望的量子比特候选者。这里的一个主要先决条件是自旋相位振荡的相干性。在这项工作中，我们展示了一个控制序列，通过施加可变失谐的RF脉冲，可以增加自旋相位振荡的可见性，并进行直流磁力测量。我们在实验上证明了该计划的单NV中心的金刚石和解析描述如何NV电子自旋相位振荡行为的存在下，经典的噪声模型。我们在此引入失谐作为调制序列的滤波器功能的使能因素，以实现与哈恩回波$T_2$时间相当或更长的拉姆齐条纹的可见性，并在各种实验设置中提高对DC磁场的灵敏度。
2020-04-20 quant-ph
Identifying and decoupling many-body interactions in spin ensembles in diamond
我们模拟了固态系统中变密度准二维自旋系综的动力学，重点是金刚石中的氮空位中心。我们认为，在一个现实的“自旋浴”的环境下，各种控制序列的平均动态的大合奏的自旋。我们发现，自旋锁定是有效的去耦自旋初始化沿驱动轴，无论是从相干偶极相互作用和外部自旋浴环境，当驱动是两个数量级强于相关的耦合能量。由于标准脉冲动态去耦序列的应用导致与环境的强去耦，而其他专门的脉冲序列可以去耦相干偶极相互作用，这样的序列可以用于识别主要的相互作用类型。此外，脉冲去耦序列的适当组合可以导致两种相互作用类型的抑制，从而允许额外的自旋操纵。最后，我们考虑这些控制协议上的有限宽度脉冲的效果，并确定提高去耦效率与脉冲持续时间的增加，从而从移相和相干动态的相互作用。
2018-09-24 cond-mat.mes-hall quant-ph
Blueprint for Diamond Magnetometry: Unraveling Quantum Dephasing of Nitrogen-Vacancy Center Ensembles in Diamond
本研究提出量化金刚石NV中心系综电子自旋退相干的系统方法，分析多类退相干源的贡献并验证其有效性，最终提出提升直流磁场测量灵敏度极限的策略。
2025-01-11 physics.app-ph quant-ph
Nanophotonic quantum magnetometry in a spin-dense diamond cavity
University of Calgary（卡尔加里大学）；University of Alberta（阿尔伯塔大学）；National Research Council of Canada（加拿大国家研究委员会）
本研究提出了一种基于钻石腔体的纳米光子磁计量平台，实现了高灵敏度和亚微米空间分辨率，为高精度磁测量和生物传感提供了新方法。
2026-10-08 physics.optics quant-ph
