Oxygenated (113) diamond surface for nitrogen-vacancy quantum sensors with preferential alignment and long coherence time from first principles
金刚石中的浅氮空位（NV）中心在量子传感中具有广阔的应用前景，但其灵敏度受到表面终止子和缺陷的限制。有一个直接寻求找到合适的金刚石表面的NV传感器。本工作利用第一性原理计算研究了（113）金刚石的表面终止子对浅NV心的作用。结果表明，（113）金刚石的完全氧终止产生正的电子亲和势，在表面上没有应变，也没有间隙能级。这是一个非常令人惊讶的结果，因为通常使用的氧化（001）金刚石表面通常是有缺陷的，这是由于在表面处的醚基团的应变所产生的无序，其严重破坏了浅NV中心的相干性质。与（001）和（111）金刚石表面相比，（113）金刚石表面特殊的原子构型有利于氧的成键。这些模拟表明，氧化金刚石（113）表面可以通过常规的金刚石化学气相沉积生长。结合（113）取向金刚石中生长态NV中心的~73%优先排列，氧化（113）金刚石目前被认为是NV量子传感器最有前景的主体。
2019-01-31 cond-mat.mes-hall quant-ph
Room Temperature Electrically Detected Nuclear Spin Coherence of NV Centers in Diamond
我们证明了在室温下NV中心的$^{14}$ N核自旋相干性的电检测。核自旋是量子信息器件和量子传感器中的量子存储器的候选者，因此核自旋相干性的电学检测对于开发和集成此类量子器件至关重要。在本研究中，我们使用脉冲电探测电子-核双共振技术测量室温下NV中心$^{14}$ N核自旋的Rabi振荡和相干时间（$T_2$）。我们在室温下观察到$T_2 \approx$ 0.9 ms。我们的研究结果将为开发新型的基于电子和核自旋的金刚石量子器件铺平道路。
2019-07-21 cond-mat.mes-hall quant-ph
Low Temperature Studies of Charge Dynamics of Nitrogen-Vacancy Defect in Diamond
本文研究了在液氦温度下，氮空位（NV）中心在负电荷（NV-）和中性电荷（NV 0）两种不同电荷状态之间的光致转换。实验证明，在单一缺陷上NV-到NV 0的转换，其速率与共振激发下的功率成二次方关系。此外，我们发现，中性NV的共振激发改变了电荷状态，恢复其负配置。这种类型的转换显著提高了NV缺陷的光谱稳定性，并允许自旋量子位的高保真度初始化。一个可能的机制电离和NV-缺陷的恢复进行了讨论。本研究提供了更好的理解NV中心的电荷动力学，这是相关的量子信息处理基于金刚石中的NV缺陷。
2012-04-22 cond-mat.mes-hall quant-ph
Identification of defects and the origins of surface noise on hydrogen-terminated (100) diamond
本研究通过STM成像与第一性原理模拟识别氢终止金刚石表面缺陷，揭示磁噪声与电荷俘获的微观起源，并验证CVD生长模型。
2024-05-29 cond-mat.mes-hall quant-ph
Coherence of Nitrogen-Vacancy Electronic Spin Ensembles in Diamond
本文对室温下高纯金刚石中氮空位色心系综的电子自旋退相干进行了实验和理论研究。在适当的条件下，我们发现系综NV自旋相干时间（T_2）与单个NV相当，对于天然丰度为13 C且顺磁杂质密度约为10^15 cm^（-3）的样品，T_2 > 600微秒。我们还观察到一个急剧下降的相干时间与未对准的静态磁场相对于NV电子自旋轴，与NV耦合到13 C核自旋浴的理论建模一致。由室温NV系综提供的长相干时间和增加的信噪比将有助于NV中心在精密磁力测量和量子信息中的许多应用。
2011-01-24 cond-mat.mes-hall quant-ph
Two-qubit quantum gates for defect qubits in diamond and similar systems
我们提出了一种快速，可扩展的全光学设计，用于金刚石（NV中心）和碳化硅中的缺陷量子位的任意两个量子位操作，这是室温量子计算的有前途的候选者。量子比特之间的相互作用是通过微腔光子进行的。该方法使用来自通过光学控制激活的较高能量激发态的相长干涉。在这种方法中，腔模式保持与用于初始化和读出的直接可访问的光学跃迁非共振。所有的量子操作都是由近共振的窄带宽光脉冲控制的。我们进行全量子数值模拟的建议门，并表明高保真度的操作可以获得现实的参数。
2013-10-28 cond-mat.mes-hall 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
Spin coherent quantum transport of electrons between defects in diamond
金刚石中的氮空位色心作为一种重要的固态量子信息处理系统迅速崛起。虽然单独的自旋寄存器已经被用于实现小规模的钻石量子计算，但大规模设备的实现需要开发用于在远距离量子比特之间传输信息的片上量子总线。在这里，我们提出了一种方法，在遥远的NV中心之间的电子和它的自旋态的相干量子输运。通过对金刚石纳米结构的NV中心电荷态和受限导电态的光学控制，实现空间受激绝热拉曼通道的传输。我们的模型表明，在金刚石纳米线的两个NV中心，高保真度的传输可以实现在数百纳米的距离，在数百纳秒的时间尺度。因此，空间绝热通道是实现片上自旋量子总线的一个有前途的选择。
2019-05-17 cond-mat.mes-hall quant-ph
Spin Coherence and $^{14}$N ESEEM Effects of Nitrogen-Vacancy Centers in Diamond with X-band Pulsed ESR
本文报道了在X波段磁场（280-400 mT）和低温（2-70 K）下，金刚石中负电荷氮空位中心（NVPDMATHABMM）系综的脉冲ESR实验。通过高能电子辐照和随后的退火，制备具有本体浓度为$2\cdot 10^{13}$ cm $^{-3}$至$4\cdot 10^{14}$ cm $^{-3}$的合成IIb型金刚石中的NV $^-$中心（氮杂质浓度$<1$ ~ppm）。我们发现，适当的辐射后退火（1000 $^\circ$ C 60分钟）是至关重要的辐射损伤的修复和恢复长的电子自旋相干时间的NV $^-$ s。退火后，在5~K温度下获得了T $_2 = 0.74$ ~ms的自旋相干时间，仅受天然丰度金刚石中$^{13}$ C核谱扩散的限制。在X波段磁场下，观测到了源自中心$^{14}$ N核的强电子自旋回波包络调制（ESEEM）。ESEEM光谱分析允许精确测定$^{14}$ N核超精细和四极张量。此外，ESEEM效应从两个近端$^{13}$ C网站（第二最近的邻居和第四最近的邻居）解决和各自的$^{13}$ C超精细耦合常数提取。
2016-03-13 cond-mat.mes-hall quant-ph
Fluorescence thermometry enhanced by the quantum coherence of single spins in diamond
基于金刚石中氮空位（NV）中心的自旋相关光致发光，我们展示了灵敏度接近10 mK Hz ^（-1/2）的荧光测温技术。这些技术使用动态解耦协议将NV中心的自旋共振频率中的热诱导位移转换成其荧光的大变化。通过减轻与附近核自旋的相互作用并促进选择性热测量，这些协议将可用于测温的自旋相干时间提高了45倍，相当于NV中心温度灵敏度提高了7倍。此外，我们证明了这些技术可以应用在一个广泛的温度范围内，并在有限和近零磁场环境。这种多功能性表明，单自旋的量子相干性实际上可以用于各种生物和微尺度系统中的灵敏测温。
2013-05-08 cond-mat.mes-hall quant-ph
Quantum Coherence Effects in Four-level Diamond Atomic System
研究了四个相干光场驱动的对称四能级闭环$\diamondsuit$型（金刚石结构）原子系统。该系统具有丰富的量子干涉和相干特性。当系统对称性破缺时，出现了单暗共振和双暗共振等有趣的现象。结果，产生了双电磁感应透明效应，这将有利于实现量子相位门操作。
2008-10-28 quant-ph
Sub-second Temporal Magnetic Field Microscopy Using Quantum Defects in Diamond
通过探测金刚石中氮空位（NV）缺陷中心的光探测磁共振（ODMR）谱的位移，实现了宽视场磁场显微术。然而，这些宽场金刚石NV磁力计需要几分钟到几分钟的采集来获得单个磁场图像，使得该技术在其当前形式下暂时静止。这种限制阻止了金刚石NV磁力计应用于动态变化的微尺度磁场过程的新成像。在这里，我们表明，磁场成像帧速率可以显着提高通过执行锁定检测NV光致发光（PL），同时在多个像素的锁定相机。一个详细的协议，用于同步的频率调制PL的NV中心与快速相机帧解调，在几千赫兹的频率，已被实验证明。该实验技术允许以每秒50至200帧（fps）范围内的成像帧速率对平面微线圈中的亚秒级变化的微尺度电流进行磁场成像。我们的工作表明，宽场每像素锁定检测频率调制的NV ODMR，使动态磁场显微镜。
2022-02-25 cond-mat.mes-hall quant-ph
Coherence properties and quantum control of silicon vacancy color centers in diamond
无自旋金刚石主晶格中的原子尺度杂质自旋（也称为色心）已被证明是基于固态的量子技术应用的通用工具，范围从量子信息处理（QIP）到量子增强传感和计量学。由于其宽的带隙，金刚石可以容纳数百种不同的色心。然而，它们对QIP或传感应用的适用性仅在其中少数几个方面进行了测试，氮空位（NV）强烈主导了这一研究领域。然而，由于其有限的光学特性，NV在QIP应用中的成功在很大程度上取决于高效光子接口的开发。在过去的几年里，带负电荷的硅空位（SiV）中心受到了极大的关注，由于其非常有利的光谱特性，如窄零声子线跃迁和弱声子边带。在这里，我们回顾了最近的工作调查的SiV中心的轨道和电子自旋的相干性，以及技术，相干控制其量子态使用微波以及光场，我们概述了潜在的未来实验方向，以提高SiV的相干时间尺度，并将其发展成为一个有价值的工具QIP应用。
2017-09-29 cond-mat.mes-hall quant-ph
Protection of center-spin coherence by dynamically polarizing nuclear spin core in diamond
实验研究了动态核极化对金刚石中氮空位中心电子自旋相干性的保护作用。NV中心的电子自旋退相干是由$^{13}$ C核自旋浴的磁场涨落引起的，当处于室温下的平衡态时，磁场涨落对NV中心的电子自旋有很大的热涨落。为了解决这个问题，我们不断地将角动量从电子自旋转移到核自旋，并在Hartman-Hahn条件下将核自旋池抽到极化态。通过观察电子自旋相干时间（$T_2^*$）的延长来验证镀液极化效应。研究了动态核极化（DNP）过程的最佳条件，包括泵浦脉冲宽度和激光脉冲的退偏效应。我们的实验结果为在固态系统中利用极化核自旋浴进行量子信息处理和量子模拟提供了有力的支持。
2013-05-28 cond-mat.mes-hall quant-ph
All-electron $\mathrm{\textit{ab-initio}}$ hyperfine coupling of Si-, Ge- and Sn-vacancy defects in diamond
本研究首次对金刚石中SiV、GeV和SnV缺陷开展全电子从头算超精细常数计算，并通过PBE泛函混合参数与介电常数预测，获得与实验吻合的结果。
2023-09-25 cond-mat.mes-hall quant-ph
Temperature dependent coherence properties of NV ensemble in diamond up to 600K
金刚石中的氮空位（NV）心具有优良的光学和相干特性，是量子传感器的理想候选材料。然而，以前的研究通常在低温或室温下进行。对NV中心高温相干性质的认识不足限制了NV的进一步应用。在这里，我们系统地探讨了温度从300 K到600 K的NV中心系综的相干性质。相干时间$T_2$从300 K时的$184 μs$迅速减小到600 K时的$30 μs$，这归因于与顺磁性杂质的相互作用。单量子和双量子弛豫速率也表现出明显的温度依赖性，且均受双声子拉曼过程的控制。而非均匀退相时间$T_2^*$和热回波退相干时间$T_{TE}$随温度升高几乎保持不变。由于$T_{TE}$随温度升高而略有变化，因此热回波温度计在450 K时具有$41 mK/\sqrt{Hz}$的灵敏度。这些发现将有助于为基于NV的高温传感铺平道路，并更全面地了解固态量子比特中退相干的起源。
2021-02-25 cond-mat.mes-hall quant-ph
Entanglement of dark electron-nuclear spin defects in diamond
多量子比特量子寄存器的一种有前途的方法是使用光学可寻址自旋来控制环境中的多个暗电子自旋缺陷。虽然最近的实验已经观察到与这种暗自旋的相干相互作用的特征，但实现量子信息处理所需的单独控制是一个公开的挑战。在这里，我们展示了与多个P1中心相关的单个暗自旋的初始化，控制和纠缠，这些中心是金刚石中氮空位中心周围自旋浴的一部分。我们实现了投影测量，以准备P1中心的多个自由度-它们的Jahn-Teller轴，核自旋和电荷状态-并利用这些来选择性地访问浴中的多个P1。我们开发了控制和单次读出的核和电子自旋，并使用它来证明两个P1中心的纠缠态。这些结果为利用暗电子核自旋缺陷作为量子比特用于量子传感、计算和网络提供了原理证明。
2020-11-19 cond-mat.mes-hall quant-ph
Raman Excited Spin Coherences in N-V Diamond
通过非简并四波混频（NDFWM）和电磁感应透明（EIT），在N-V金刚石色心中观测到拉曼激发的自旋相干。发现最大吸收抑制为17%，这对应于给定金刚石中N-V中心的随机几何取向的可能的70%。在固体中的量子计算的上下文中，这种透明度水平代表了量子比特（qubit）的有效制备，以及执行任意单个量子比特旋转的能力。
2000-07-28 quant-ph
Engineering Spin Coherence in Core-Shell Diamond Nanocrystals
针对金刚石纳米晶体自旋传感器受表面噪声限制灵敏度的问题，研究通过构建核壳结构结合动力学解耦，大幅提升自旋相干时间与荧光强度，缩短积分时间，揭示退相机制并提供噪声抑制新策略。
2023-05-04 cond-mat.mes-hall quant-ph
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
Evidence for Primal sp2 Defects at the Diamond Surface: Candidates for Electron Trapping and Noise Sources
金刚石材料是越来越多的先进技术示范的核心，从高功率电子到具有前所未有的灵敏度的纳米级量子生物成像。然而，金刚石在这些应用中的充分利用通常受到金刚石材料表面的不受控制的性质的限制，金刚石材料表面遭受费米能级钉扎并且承载显著密度的电磁噪声源。尽管金刚石晶体表面具有无氧化物和空气稳定的性质，但这些问题仍然存在，这应该是功能化和化学工程的理想候选者。在这项工作中，我们揭示了一个家庭的以前未识别的和几乎无处不在的原始表面缺陷，我们分配到不同的重建表面空缺。这些缺陷的密度与X-射线吸收光谱定量，其能量结构由从头计算阐明，并直接测量其对近表面量子探针的影响。随后的从头计算能带弯曲从这些缺陷表明，它们是费米能级钉扎在大多数金刚石表面的来源。最后，调查进行了广泛的生长后的表面处理，并得出结论，没有一个可以再现地减少这种缺陷密度低于费米钉扎阈值，使这种缺陷的主要候选人作为近表面量子探针的退相干限制噪声的来源。
2018-07-09 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci quant-ph
Nanoscale Sensing Using Point Defects in Single-Crystal Diamond: Recent Progress on Nitrogen Vacancy Center-Based Sensors
固体中的单个发光点缺陷，即所谓的色心，是原子大小的量子系统，能够以纳米级的空间分辨率进行传感和成像。在这篇综述中，我们介绍了纳米级传感的基础上个别氮空位（NV）中心的钻石。我们讨论了该领域的两个主要挑战：第一，在单晶金刚石表面以下小于10 nm的高度相干的浅NV中心的创建。第二，尖端状光子纳米结构的制造，使有效的荧光收集，并可用于扫描探针成像的基础上的色心与纳米级的分辨率。
2017-05-10 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci quant-ph
Excited-state spectroscopy of single NV defects in diamond using optically detected magnetic resonance
利用脉冲光探测磁共振技术，我们直接探测了金刚石中单个氮空位色心激发态的电子自旋共振跃迁。根据NV缺陷光致发光寿命的变化，对激发态的精细结构进行了无环境指认。这项研究提供了显着的洞察发射3E激发态的结构，这是非常宝贵的钻石为基础的量子信息处理的发展。
2009-02-10 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
Single atom-scale diamond defect allows large Aharonov-Casher phase
我们提出了一个实验，将产生和测量一个大的Aharonov-Casher（A-C）相在宏观运动下的固态系统。在均匀电场存在下，将金刚石晶体安装在旋转盘上。一个单一的NV缺陷，取代干涉仪轨迹的内部磁状态，相干控制的微波脉冲。A-C相移表现为磁子态叠加分量之间的相对相位，高达17弧度，比任何其他原子尺度量子系统中测量的大两个数量级。
2009-10-22 cond-mat.mes-hall cond-mat.other quant-ph
Polarization properties of single photons emitted by nitrogen-vacancy defect in diamond at low temperature
本文利用共振激发法研究了低温下金刚石中单氮空位色心光致发光的偏振特性。我们首先强调，两个激发态轨道分支与两个正交过渡偶极子。使用一个偶极子的选择性激发，然后，我们表明，光致发光是部分非偏振的，由于两个轨道之间的快速弛豫引起的热浴。这一结果可能是重要的背景下实现不可区分的单光子使用NV缺陷的钻石。
2009-06-18 quant-ph
Spin coherence and depths of single nitrogen-vacancy centers created by ion implantation into diamond via screening masks
我们的特点单一的氮空位（NV）的中心创建10 keV的N+离子注入到金刚石通过薄SiO $_2$层作为屏蔽掩模。尽管与用于产生近表面NV中心的标准加速能量（< 5 keV）相比具有相对高的加速能量，但屏蔽掩模将N $^+$离子的分布改变为在金刚石表面处达到峰值[Ito等人，应用物理信函110，213105（2017）]。我们研究的NV电子自旋的相干时间和它们的深度之间的关系，表明大部分的NV中心位于10 nm内的表面，与蒙特卡罗模拟一致。通过噪声谱、表面形貌和X射线光电子能谱学评估了表面对NV自旋相干时间的影响。
2020-06-14 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci quant-ph
Optical coherence of diamond nitrogen-vacancy centers formed by ion implantation and annealing
金刚石中氮空位（NV）中心等固态发光体的量子光学科学与技术的发展关键依赖于发光体光学跃迁的相干性。在精确控制的位置处产生NV中心的广泛采用的策略是氮离子注入，然后是高温退火工艺。我们报告的实验数据直接相关的NV中心的光学相干的氮原子的起源。这些研究揭示了低应变，窄光学线宽（$<500$ MHz）NV中心形成的自然发生的$^{14}$ N原子。相比之下，由注入的$^{15}$ N原子形成的NV中心表现出显著加宽的光学跃迁（$>1$ GHz）和更高的应变。数据表明，由注入氮形成的NV中心的光学相干性差不是由于与金刚石或同位素相关的固有效应。这些结果直接影响到当前NV中心创建协议的定位精度，并指出需要进一步研究晶格损伤对注入离子的NV中心的相干性的影响。
2019-04-23 cond-mat.mes-hall physics.optics quant-ph
Extension of the Coherence Time by Generating MW Dressed States in a Single NV Centre in Diamond
金刚石中的氮空位（NV）中心在量子传感应用中有希望。对它们的主要兴趣是通过延长相干时间（$T_2$）来增强它们的灵敏度。在这篇报告中，我们实验上产生了四个以上的修饰态在一个单一的NV中心在金刚石的Autler-Townes分裂（ATS）。我们还观察到的相干时间延长到$T_2 \sim$ 1.5毫秒，这是两个以上的数量级长于未加约束的状态。作为使用这些结果的量子应用的一个例子，我们提出了一个协议的量子传感，这表明超过一个数量级的灵敏度增强。
2019-06-05 quant-ph
Strongly enhanced photon collection from diamond defect centres under micro-fabricated integrated solid immersion lenses
由于金刚石-空气界面处的折射和反射，从大块金刚石中的光学活性缺陷中心收集光子的效率大大降低。我们报告的制造和测量的几何解决方案的问题，集成的固体浸没透镜（SILs）直接蚀刻到金刚石表面。在同一晶体中，在5 μ m直径的SIL内，与在平坦表面下的NV-s相比，观察到从单个带负电荷的氮空位（NV-）的饱和计数率增加10倍。由于SIL存在时激发体积减少，还观察到背景发射减少3倍。这样的系统是潜在的可扩展的，并且容易地适应于块状金刚石中的其他缺陷中心。
2010-06-11 quant-ph
Extending Quantum Coherence in Diamond
我们的实验表明，通过实施去耦技术，金刚石中氮空位中心的相干时间增加了两个数量级。我们表明，相等的脉冲间隔去耦执行以及非周期性Uhrig去耦，并具有额外的好处，它使我们能够利用“复兴”的回声（由于浴的相干性），探索最长的相干时间。在短时间内，我们可以将特定量子态的相干性从T_2*=2.7 μ s扩展到有效T_2 > 340 μ s。为了保持任意状态，我们使用脉冲序列的实验的重要性，通过明智的选择脉冲的相位，补偿所有输入状态的单个脉冲的缺陷。在更长的时间，我们使用这些补偿序列，以提高回波复苏，并显示在超纯天然丰度13 C钻石的相干时间超过1.6毫秒。
2010-08-18 quant-ph
Coherence properties of photons emitted by single defect centers in diamond
远距离量子辐射源间的光子干涉是产生大规模量子网络的一种很有前途的方法。当光子表现出较长的相干时间时，最好实现干涉。对于金刚石中的氮空位缺陷中心，我们利用光致拉比振荡测量了光子的相干时间。实验揭示了接近傅里叶变换（即寿命）有限的宽度，即使在几分钟内平均发射的光子。双光子干涉的投影对比度（0.8）足够高，可以设想在量子信息处理中的应用。我们报告12和7.8 ns的激发态寿命取决于自旋状态的缺陷。
2007-10-07 quant-ph
Quantum Nanophotonics with Group IV defects in Diamond
金刚石光子学是一个不断增长的研究领域，其驱动力是利用金刚石及其色心作为固态量子应用的合适硬件的前景。在过去的二十年里，氮空位（NV）中心已经形成了该领域，具有突破性的基础物理演示和实际实现。然而，最近出现了一整套其他钻石缺陷。它们是M-V色心，其中M表示元素周期表第IV列中的元素Si、Ge、Sn和Pb之一，V表示晶格空位，即缺少相邻的碳原子。这些中心表现出比NV中心更强的零声子线发射，它们显示反转对称性，并且可以使用离子注入进行工程化，所有这些都是基于固态单光子源的可扩展量子光子架构的吸引人的特征。从这个角度来看，我们强调了工程和表征这些金刚石缺陷的领先技术，讨论了目前基于IV族器件的最新技术，并展望了该领域实现金刚石固态量子光子学的未来方向。
2019-07-05 cond-mat.mes-hall physics.app-ph physics.optics
Controlling the coherence of a diamond spin qubit through strain engineering
量子系统与其环境的不受控制的相互作用对量子相干性是有害的。在固态量子比特的背景下，用于减轻来自环境的波动电场和磁场的影响的技术得到了很好的发展。相反，抑制来自热晶格振动的退相干通常仅通过降低操作温度来实现。在这里，我们使用纳米机电系统（NEMS）来减轻热声子对固态量子发射器的影响，而不改变系统温度。我们研究了金刚石中的硅空位色心，它具有对声子高度敏感的光学和自旋跃迁。首先，我们证明了它的电子轨道对局域应变非常敏感，这导致了它对声子的高灵敏度。通过控制应变环境，我们操纵发射器的电子能级来探测、控制并最终抑制其与热声子浴的相互作用。应变控制允许令人印象深刻的光学可调谐性范围和显著改善的自旋相干性。最后，我们的研究结果表明，它可能会实现强耦合的SiV自旋和单声子，这可能会导致实现声子介导的量子门和非线性量子声子之间。
2018-01-31 cond-mat.mes-hall quant-ph
A Coherence-Protection Scheme for Quantum Sensors Based on Ultra-Shallow Single Nitrogen-Vacancy Centers in Diamond
针对超浅NV中心自旋相干受表面核磁噪声限制的问题，提出利用表面应变与小磁场协同作用，在富集$^{12}$C金刚石中显著延长1纳米深NV中心相干时间，并扩展至天然金刚石实现纳米矢量磁测量。
2025-01-21 quant-ph
Energy levels and decoherence properties of single electron and nuclear spins in a defect center in diamond
研究了金刚石中缺陷中心及其附近13 C核的单电子和单核自旋的相干行为。分析了缺陷中心电子自旋与~（13）C核自旋超精细耦合的能级。磁共振的方法，连同光学读出的单缺陷中心已被应用，以观察电子和核自旋的相干动力学。长的相干时间，在微秒的电子自旋和几十微秒的核自旋的顺序，建议研究系统作为一个很好的实验方法，实现2量子位门。
2004-09-12 quant-ph
Nanopositioning of a diamond nanocrystal containing a single NV defect center
精确控制单个量子物体的位置对于量子科学和纳米技术中的许多实验都很重要。我们报告了一种高精度定位单个金刚石纳米晶体的技术。定位是用自制的纳米操纵器在实时扫描电子成像下完成的，精度为几纳米。该技术被应用于拾取、移动和定位包含在金刚石晶片中的单个NV缺陷中心。我们验证了独特的光学和自旋性质的NV中心的定位过程中保存。
2009-03-19 quant-ph
High precision nano scale temperature sensing using single defects in diamond
以几纳米量级的空间分辨率测量局部温度具有从半导体工业到材料到生命科学的广泛应用。当与精密温度测量相结合时，它有望提供由化学反应或生物化学过程引起的微小温度变化。然而，由于用于温度测量的纳米级探针的稳定性有限的物理过程，纳米级温度测量和精度到目前为止已经相互排斥。在这里，我们实验证明了一种新的纳米级温度传感技术的基础上，在钻石中的单原子缺陷。传感器的尺寸范围从毫米到几十纳米。利用光学可访问的电子自旋能级结构对温度变化的敏感性，我们实现了5 mK Hz $^{-1/2}$的温度本底噪声在散装传感器中的单个缺陷。使用掺杂的纳米金刚石作为传感器产生130 mK Hz $^{-1/2}$噪声基底的温度测量，并且在几十纳米的长度尺度下精度低至1 mK。对温度变化的高灵敏度以及出色的空间分辨率与出色的传感器稳定性相结合，使得纳米级精确温度测定足以通过反应热测量少数或单个分子的化学过程，即使在细胞等异质环境中。
2013-04-02 cond-mat.mes-hall quant-ph
Enhanced quantum properties of shallow diamond atomic defects through nitrogen surface termination
Hebrew University（希伯来大学）；Technion – Israel Institute of Technology（以色列理工学院）
本研究通过氮等离子体表面终止技术提升浅层金刚石NV中心的量子稳定性和相干性。
2023-01-31 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
Identification and control of electron-nuclear spin defects in diamond
我们通过实验证明了一种在量子探针环境中利用自旋缺陷来放大量子器件的方法。我们遵循这种方法来识别，定位和控制两个电子核自旋缺陷的环境中的一个单一的氮空位中心的金刚石。通过在磁场的不同方向上进行光谱分析，我们提取了超精细和偶极相互作用张量的未知参数，我们使用这些参数来定位两个自旋缺陷，并设计控制序列来初始化、操纵和读出它们的量子态。我们最终在三个电子自旋之间建立了量子相干性，为建立真正的三重纠缠铺平了道路。这种方法将有助于组装多自旋量子寄存器，用于量子传感和量子信息处理。
2020-01-24 quant-ph
Saturable absorption in defect-rich diamond nanophotonics
Institute for Quantum Science and Technology, University of Calgary（卡尔加里大学量子科学与技术研究所）；Department of Physics, University of Alberta（阿尔伯塔大学物理系）；National Research Council of Canada, Quantum and Nanotechnology Research Centre（加拿大国家研究委员会量子与纳米技术研究中心）
本研究通过钻石微盘腔展示了可饱和吸收现象，揭示了氢相关缺陷在钻石纳米光子学中的光学损耗机制，并为未来光子器件设计提供了新思路。
2026-07-24 physics.optics quant-ph
First-principles Studies of Strongly Correlated States in Defect Spin Qubits in Diamond
利用最近发展起来的量子嵌入理论，我们对金刚石中自旋缺陷的强关联态进行了第一性原理计算。在这个理论中，有效的哈密顿量被构造出来，可以用经典计算机和量子计算机来求解;后者比前者保证了一个更有利的尺度作为系统大小的函数。特别地，我们报道了金刚石中的中性IV族空位复合物的研究，并讨论了它们的强关联自旋单重态和自旋三重态激发态。我们的研究结果提供了有价值的预测实验，旨在光学操纵这些缺陷的量子信息技术的应用。
2020-09-21 cond-mat.mtrl-sci physics.chem-ph quant-ph
Group III Quantum Defects in Diamond are Stable Spin-1 Color Centers
钻石中的色心已经成为一系列量子技术的主要固态人造原子，从量子传感到量子网络。目前正在进行协调一致的研究活动，以确定新的色心，这些色心将金刚石中氮空位（NV $^-$）的稳定自旋和光学性质与硅空位（SiV $^-$）中心的光谱稳定性相结合，最近的研究确定了具有优越性质的其他IV族色心。在这封信中，我们调查了一类新的金刚石量子发射器的第一原理，第三组色心，我们证明是自旋稳定的，电场不敏感的结构。从从头算电子结构的方法，我们表征的产品Jahn-Teller（pJT）的效果存在于这些第III族色心的激发态的歧管，在那里我们捕捉到与强电子-声子耦合相关的破坏性扭曲。这些预测可以指导III族空位中心的实验鉴定及其在量子信息科学和技术中的应用。
2019-07-29 cond-mat.mes-hall physics.comp-ph quant-ph
Fabrication of single nickel-nitrogen defects in diamond by chemical vapor deposition
采用化学气相沉积法在金刚石中制备了镍氮（NE_8）单缺陷中心。在745 nm连续激光激发下，室温下单个缺陷发射出波长为797 nm、线宽为1.5 nm的单光子脉冲。利用Hanbury-Brown和Twiss干涉仪研究了单中心光子的反聚束效应。共聚焦图像显示，在合成的薄膜中，每平方厘米约有10^6个光学活性位点。在人造金刚石中制备NE 8基单光子源对于光纤量子密码学具有重要意义。它也可以作为近场光学显微镜的理想点状光源。
2004-11-10 cond-mat.mtrl-sci quant-ph
Coherence-protected Quantum Gate by Continuous Dynamical Decoupling in Diamond
为了实现可靠的量子信息处理，必须保护量子门和量子比特不受退相干的影响。在氮空位系统中，我们用连续波动力学解耦方法，不仅使相干时间延长了约20倍，而且在控制时间内对量子门起到了保护作用。该协议既保留了延长相干时间的优点，又易于与量子逻辑任务相结合。它有望在量子控制持续时间远远超过退相时间的任务中发挥作用。
2012-05-07 quant-ph
On the effects of an impurity in an Ising-$XXZ$ diamond chain on the thermal entanglement, on the quantum coherence and on the quantum teleportation
本文讨论了杂质元格对用并发度测量的热量子关联、用最近提出的$l_{1}$ -模相干性量化的量子相干性以及对Ising- $XXZ$金刚石链中的量子隐形传态的影响。这种杂质是由间隙海森堡二聚体之间的XXZ相互作用和节自旋和间隙自旋之间的最近邻伊辛耦合形成的。所有的相互作用参数都不同于链的其余部分。通过对它们的剪裁，可以控制和调谐量子纠缠和量子相干性。因此，与没有杂质的原始模型相比，该模型的量子资源--热纠缠和量子相干性--表现出明显的性能改善。我们还证明了量子隐形传态可以通过它的包含来调谐。热隐形传态的修改，以及在显着的方式，并观察到一个强大的平均保真度的增加。我们用传递矩阵法给出了精确解。
2019-08-21 quant-ph
Ten-Second Electron-Spin Coherence in Isotopically Engineered Diamond
QuTech, Delft University of Technology（代尔夫特理工大学 QuTech）；Kavli Institute of Nanoscience Delft, Delft University of Technology（代尔夫特理工大学 卡弗里纳米科学研究所）；Takasaki Institute for Advanced Quantum Science, National Institutes for Quantum Science and Technology (QST)（量子科学技术研究机构 高崎高级量子科学研究所）
研究通过同位素工程化钻石实现单个氮空位中心的长电子自旋相干时间，并利用实时反馈方案和定制去耦序列，获得高达11.2秒的相干时间，同时观察到近寿命极限的相干光学跃迁。
2026-04-08 quant-ph
A defect in diamond with millisecond-scale spin relaxation time at room temperature
Princeton University（普林斯顿大学）；University of California, Santa Barbara（加州大学圣塔芭芭拉分校）；US Naval Research Laboratory（美国海军研究实验室）；University of North Carolina at Chapel Hill（北卡罗来纳大学教堂山分校）；University of Iowa（爱荷华大学）
本研究发现金刚石中WAR5缺陷在室温下具有0.97毫秒的自旋弛豫时间，并在4K时达到14.38分钟，同时展示了光学自旋极化和零声子线候选。
2026-03-07 cond-mat.mtrl-sci quant-ph
Spin coherence mapping of NV centers in diamond
近年来，金刚石中的氮空位色心由于其电子自旋特性而成为优良的固态量子传感器。特别是它们易于光学初始化和检测，以及它们在室温下非常大的自旋相干性。许多研究已经报道了它们用于感测温度、应变、电场以及主要是磁场。在这里，我们展示了如何建立一个二维地图的电子自旋相干的NV中心的合奏超纯金刚石，使用光学成像协议结合微波脉冲仅仅依靠一个普通的CCD相机。
2022-09-12 physics.app-ph physics.atom-ph physics.ins-det
Measuring the defect structure orientation of a single NV- centre in diamond
金刚石中带负电荷的氮空位（NV-）中心在量子纳米计量学中有许多令人兴奋的应用，包括磁力测量、电学测量、温度测量和压力测量。实际上，单个NV中心可以测量局部电场的完整三维矢量或环境条件下单个基本电荷的位置。然而，为了实现这样的矢量测量，需要对中心的缺陷结构的取向的接近完整的知识。在这里，我们展示了一种光学检测磁共振（ODMR）技术，采用旋转的静电和磁场，精确地确定了该中心的主要和次要的三角对称轴的方向。因此，我们的技术是该中心现有矢量传感应用的推动者，也激发了多轴旋转传感，NV生长表征和金刚石晶体学的新应用。
2014-03-12 quant-ph
Optically coherent nitrogen-vacancy defect centers in diamond nanostructures
光学活性的固态自旋缺陷具有成为量子信息处理应用的多用途资源的潜力。金刚石中的氮空位缺陷中心（NV）充当量子存储器，并且可以通过相干光子进行接口，如纠缠协议所示。然而，特别是在金刚石纳米结构中，光谱扩散的影响导致光学退相干，阻碍纠缠的产生。在这项工作中，我们提出的策略，以显着降低金刚石纳米结构的电噪声。我们展示了纳米柱中的单NV，其在一秒的时间尺度上表现出寿命有限的线宽，并且在三分钟内具有低至150 MHz的非均匀线宽的长期光谱稳定性。激发功率和能量相关的测量结合纳米蒙特卡罗模拟有助于更好地了解体积和表面缺陷对NV的光谱特性的影响。最后，我们提出了一个纠缠协议的纳米结构耦合的NV提供纠缠产生速率高达数百kHz。
2022-03-10 physics.optics quant-ph
Microscopic processes during ultra-fast laser generation of Frenkel defects in diamond
近年来，由于固态量子比特和传感器等新兴应用，将单原子缺陷工程化到宽带隙材料中已经成为一个有吸引力的领域。最简单的原子级缺陷是晶格空位，它通常是更复杂缺陷的组成部分，例如金刚石中的氮空位（NV）中心，因此需要了解空位的形成机制和精密工程。本文从理论和实验上研究了金刚石中空位-间隙对（Frenkel缺陷）的超快激光产生。该过程是由一组耦合速率方程的脉冲激光与材料的相互作用和非平衡动力学的载流子在脉冲期间和在唤醒。我们发现，通过结合双激子作为电子等离子体冷却的重组的弗伦克尔缺陷产生的模型提供了良好的协议与实验数据，再现了有效的非线性$\sim$ 40弗伦克尔缺陷产生相对于激光脉冲能量。
2021-05-25 cond-mat.mtrl-sci quant-ph
Microwave-based quantum control and coherence protection of tin-vacancy spin qubits in a strain-tuned diamond membrane heterostructure
针对金刚石锡空位中心（SnV）自旋缺乏高效微波控制、高温下相干性退化的问题，研究人员利用均匀应变金刚石膜的轨道混合效应，实现了高保真微波自旋控制与毫秒级相干保护，4K下相干时间显著提升且光学相干性不受温度影响，为量子技术提供了理想自旋-光子界面平台。
2023-10-06 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci quant-ph
Coherence as a measure for non-Markovianity and its applications to color centers in diamond
连续熔池的非马尔可夫性程度可以通过相干性来量化。这个简单的测量方法可以通过拉姆齐光谱学在实验上实现，但它仅限于非相干动力学映射。我们提出了一个扩展的这种措施，并讨论其应用到钻石中的色心，其中两个轨道状态之间的光学相干性的影响与结构化的声子浴的相互作用。考虑到现实的声子谱密度函数，我们表明，这种措施是在任意温度下表现良好，它提供了额外的见解如何非Markoviantiy是受体积和准本地化的声子模式的存在。重要的是，只有一点开销的措施，可以适应消除虚假的迹象，非马尔可夫相干动力学地图，因此适用于一大类系统建模的自旋玻色子哈密顿量。
2019-04-28 quant-ph
