Quantum Control for Nanoscale Spectroscopy With Diamond Nitrogen-Vacancy Centers: A Short Review
近年来，基于色心的金刚石量子技术迅速兴起。氮空位色心由于其优异的自旋性质和光学可寻址性而引起了人们的特别兴趣。NV中心已被用于实现创新的多模量子增强传感器，在室温下提供前所未有的高灵敏度和空间分辨率的组合。技术进步和潜在的传感应用的拓宽引起了对NV量子传感器性能进步的日益增长的需求。量子控制在响应这一需求方面发挥着关键作用。本文简要介绍了量子控制辅助量子传感和磁场光谱学的最新进展。
2021-02-12 quant-ph
Excited-state spectroscopy using single-spin manipulation in diamond
我们用单自旋共振谱研究了室温下金刚石氮空位中心的轨道激发态自旋结构。我们发现，激发态自旋能级的零场分裂约为基态能级的一半，g因子与基态值相似，超精细分裂约为基态的20倍。此外，共振的宽度反映了激发态的电子寿命。我们还表明，NV中心之间的自旋分裂可以显着不同，可能是由于局部应变的影响，这提供了一个途径来控制自旋哈密顿量，并可能是有用的量子信息处理。
2008-06-11 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
Towards hyperpolarization of oil molecules via nitrogen-vacancy centers in diamond
当进行核磁共振（NMR）和成像时，有机分子的有效极化是非常相关的。商业上可获得的动态核极化（DNP）途径在极低的温度下工作，从而使分子脱离其周围的热条件，并依赖于有机样品的固化。在这项工作中，我们研究了在室温下从光泵金刚石中的氮空位中心到外部分子的偏振转移。这种极化转移描述了一个广泛的分析和数值模拟的基础上自旋浴玻色子化，并支持实验数据非常一致。这些结果设定了在不同情况下扩散分子超极化的路线，因此，由于信号增加，高分辨率NMR。
2017-08-08 cond-mat.mes-hall quant-ph
Engineered arrays of NV color centers in diamond based on implantation of CN- molecules through nanoapertures
我们报告了一种通用的方法，工程师阵列的氮空位（NV）的颜色中心在纳米金刚石。通过使用电子束光刻在沉积在金刚石表面上的PMMA层中图案化的80 nm直径的孔通过离子注入平行地产生缺陷。用CN-分子进行注入，这增加了NV缺陷形成产率。这种方法可以实现固态耦合自旋阵列，并可用于定位光子微结构上的光学活性NV中心。
2010-08-09 cond-mat.mtrl-sci quant-ph
Resolving single molecule structures with nitrogen-vacancy centers in diamond
本研究提出基于金刚石NV中心的二维核磁共振波谱理论方案，结合强耦合调控与奇异值阈值化矩阵补全算法，可在欠采样下识别谱峰，为单分子结构解析提供新途径。
2024-10-30 quant-ph
Frequency mixing spectroscopy of spins in diamond
该研究在低温下利用金刚石中的氮空位缺陷实验探索了非线性频率混合过程，并展示了基于频率混合的自旋光谱在消除串扰方面的优势，实验结果与理论预测相符。
2023-10-12 cond-mat.mes-hall quant-ph
Noncovalent force spectroscopy using wide-field optical and diamond-based magnetic imaging
实现力诱导剩余磁化光谱（FIRMS）技术的特定生物分子结合的检测是完成与宽场光学和金刚石为基础的磁力使用的氮空位（NV）色心合奏。该技术可适用于纳米级样品阵列的大规模并行筛选。
2019-08-27 physics.app-ph physics.bio-ph physics.ins-det
Noise spectroscopy of a quantum-classical environment with a diamond qubit
了解量子系统的环境对于其作为量子设备的实际使用至关重要。量子比特传感器可以重建经典浴的噪声谱密度，提供足够长的相干时间。在这里，我们提出了一个协议，可以解开一个更复杂的环境，包括未知的相干耦合量子系统的特性，和一个更大的量子浴，可以建模为一个经典的随机场。我们利用金刚石中氮空位中心的丰富环境，用偏置磁场调节环境行为，实验证明我们的方法。我们展示了如何重建噪声谱密度，即使在有限的相对较短的相干时间，并确定当地的自旋环境。重要的是，我们证明了重建的模型可以具有预测能力，在不用于噪声光谱的控制序列下描述自旋量子位动力学，这是构建鲁棒量子器件的关键特征。在较低的偏置场，其中浴的量子性质的影响是更明显的，我们发现，需要一个以上的经典噪声模型来正确地描述不同控制下的自旋相干性，由于量子比特的回作用到浴。
2018-12-19 quant-ph
Hyperfine Spectroscopy of Isotopically Engineered Group-IV Color Centers in Diamond
本文通过第一性原理预测与单GeV、SnV发射体的同位素光谱验证，揭示第IV族色心的强超精细耦合可形成远大于线宽且磁场不敏感的光学劈裂，为高性能量子寄存器提供新途径。
2023-06-06 quant-ph
Wide-band, nanoscale magnetic resonance spectroscopy using quantum relaxation of a single spin in diamond
我们展示了一个宽带全光学方法的纳米磁共振（MR）光谱在环境条件下。我们的方法依赖于探针自旋，金刚石中氮空位中心的电子自旋和目标自旋之间的交叉弛豫，因为这两个系统被调谐到共振。通过在改变所施加的静磁场的振幅的同时光学地监测探针自旋的自旋弛豫时间（$T_1$），获得目标自旋共振的频谱，即$T_1$ -MR谱。作为概念的证明，我们测量了金刚石内探针自旋周围的小的$^{14}$ N杂质系综的$T_1$-MR谱，其中每个杂质包括电子自旋1/2和核自旋1。固有的大带宽的技术和探针性能使我们能够检测电子自旋跃迁-在GHz范围内-和核自旋跃迁-在MHz范围内-的$^{14}$ N自旋目标。测得的频率被发现是在极好的协议与理论预期，并允许我们推断超精细，四极和旋磁常数的目标自旋。在$T_1$ -MR光谱中获得的共振强度的分析表明，电子自旋跃迁探测通过偶极相互作用，而核自旋共振显着增强超精细耦合和电子介导的过程。最后，我们从理论上研究了在没有超精细相互作用的情况下对核自旋进行$T_1$ -MR波谱的可能性，并预测了使用当前技术的单质子灵敏度。这项工作建立了$T_1$ -MR作为一个简单而强大的纳米级MR光谱技术，宽带能力和预测的灵敏度下降到单核自旋水平。
2016-04-01 quant-ph
Kerr-optomechanical spectroscopy of multimode diamond resonators
本研究对金刚石微盘进行宽带光机械光谱分析，观察到频率高达10 GHz的高品质因子机械模式，并通过Fano干涉估计其光机械耦合超过10 kHz，结合高每声子应力，表明其适用于高频多模光机械和自旋-光机械耦合。
2023-06-17 physics.optics quant-ph
Superresolution optical magnetic imaging and spectroscopy using individual electronic spins in diamond
金刚石中的氮空位色心是超分辨光学成像和纳米级磁场传感的主要形式。在这项工作中，我们解决了剩余的关键挑战，即选择性地对位于衍射受限视场内的多个NV中心进行光学磁成像和光谱分析。我们使用自旋RESOLFT显微镜，使精确的纳米尺度映射的磁场图案的分辨率下降到~20 nm，同时采用低功率的光耗尽束。此外，我们使用一个浅的NV证明检测质子核磁共振（NMR）信号外部的钻石，具有50 nm的横向成像分辨率，而不会降低质子NMR线宽。
2016-10-06 cond-mat.mes-hall quant-ph
Advances in nano- and microscale NMR spectroscopy using diamond quantum sensors
量子技术在过去几年中发展迅速。尽管量子传感器经常被量子计算所掩盖，但它在化学和生物学领域的广泛应用中显示出巨大的潜力。有一个系统特别突出：金刚石中的氮空位（NV）中心，一个原子大小的传感器，允许检测核磁共振（NMR）信号，其长度前所未有地缩小到单个质子。在这篇文章中，我们回顾了基于NV中心的量子传感的基本原理及其对纳米到微米尺度NMR光谱的显著影响。此外，我们强调并讨论了这种新技术未来可能的应用，包括能源研究，材料科学或单细胞生物学，以及这些快速发展的NMR传感器的相关挑战。
2022-05-27 physics.chem-ph quant-ph
Hyperpolarization-enhanced NMR spectroscopy with femtomole sensitivity using quantum defects in diamond
核磁共振（NMR）光谱是化学分析和分子结构鉴定的广泛使用的工具。因为它通常依赖于由小的热核自旋极化产生的弱磁场，NMR与其他分析技术相比具有较差的分子数灵敏度。最近，一类新的NMR传感器的基础上，光学探测的氮空位（NV）在金刚石量子缺陷允许分子光谱从样品体积几个数量级小于最敏感的电感检测器。然而，迄今为止，NV-核磁共振仪只能观察到来自纯的、高浓度样品的信号。为了克服这一限制，我们引入了一种技术，结合皮升级NV-NMR与完全集成的奥弗豪泽动态核极化（DNP）进行高分辨率光谱的各种小分子在稀溶液中，与毫微微摩尔的灵敏度。我们的技术推进了药物和天然产物发现，催化研究和单细胞研究的质量限制NMR光谱学。
2018-10-04 physics.app-ph quant-ph
Optically Detected Cross-Relaxation Spectroscopy of Electron Spins in Diamond
磁共振（MR）光谱学在逐渐变小的长度尺度上的应用最终可能允许在材料和生物复合物的表面对自旋进行“化学成像”。特别地，金刚石中的带负电荷的氮空位（NV-）中心已被利用作为用于纳米级核磁共振的光学换能器。然而，检测到的自旋的光谱通常通过它们与邻近的顺磁NV-中心通过相干和非相干机制的相互作用而加宽。在这里，我们展示了一种检测技术，可以解决电子自旋耦合到NV-中心，即取代氮（NS）和中性氮空位（NV 0）中心的金刚石，通过光学检测交叉弛豫光谱。这些自旋的超精细光谱是一个独特的化学标识符，这表明，结合最近的结果，在钻石窝藏浅NV-植入物的可能性，可以类似地检测到的钻石外部的自旋的光谱。
2013-12-21 cond-mat.mes-hall physics.atom-ph quant-ph
Nanoscale Solid-State Nuclear Quadrupole Resonance Spectroscopy using Depth-Optimized Nitrogen-Vacancy Ensembles in Diamond
体量子材料的核磁共振（NMR）和核四极共振（NQR）光谱学提供了对诸如量子相临界性、磁性和超导性等现象的洞察。随着具有磁性现象的纳米级2-D材料的出现，感应检测的NMR和NQR光谱学不足以灵敏地检测纳米材料中的较小数量的自旋。金刚石中的氮空位（NV）中心已经显示出将NMR和NQR光谱的分析能力带到纳米级的希望。然而，由于缺陷中心的深度依赖性形成效率、来自表面自旋的噪声、能带弯曲效应以及核磁场的深度依赖性，关于极化自旋的表面NMR的理想NV深度存在模糊性。在这项工作中，我们准备了一系列的浅NV系综层深度，并确定了理想的NV深度进行NMR光谱的偏振\fluorine{}在Fomblin油的金刚石表面。我们发现，使用XY 8-N噪声光谱实现SNR为3所需的测量时间在NV深度为5.4 nm处最小。为了证明NV系综的传感能力，我们对六方氮化硼薄片的\boron{}进行NQR光谱。我们比较我们最好的金刚石与以前的工作与一个单一的NV，发现这个合奏提供了一个较短的测量时间与激发直径小至4 $μ$ m。该分析为进一步的实验提供了理想的条件，这些实验涉及具有磁性的2-D材料的NMR/NQR光谱。
2021-12-29 cond-mat.mes-hall quant-ph
Fast, broad-band magnetic resonance spectroscopy with diamond widefield relaxometry
我们提出了一种替代传统的电子顺磁共振（EPR）光谱设备。避免使用笨重的磁体和磁控管设备，我们使用金刚石表面氮空位中心系综的光致发光。监测它们的弛豫时间（或T1），我们检测到它们与感兴趣的化合物的交叉弛豫。此外，EPR谱通过局部磁场梯度进行编码。虽然记录以前的数据需要12分钟，每个数据点与个别的NV中心，我们能够重建一个完整的光谱在$3\; \textrm{seconds}$一次，在范围从$3$到$11\; \textrm{Gauss}$。在灵敏度方面，仅需要$1\; μ\textrm{M}$六水合铜（II）离子溶液的$0.5\; μ\textrm{L}$。
2023-03-07 physics.app-ph quant-ph
Spectroscopy of Surface-Induced Noise Using Shallow Spins in Diamond
本文报道了金刚石中几个纳米深氮空位中心所经历的噪声谱随深度、表面涂层、磁场和温度的变化。分析揭示了一个双洛伦兹噪声谱与表面电子自旋浴一致，由于自旋-自旋相互作用和声子耦合相关的更快的动力学较慢的动态。这些结果揭示了新的机制负责的表面噪声影响浅自旋在半导体界面，并提出了进一步研究的可能方向。我们展示了从表面噪声的动态解耦，为从纳米级NMR到量子网络的应用铺平了道路。
2015-02-25 cond-mat.mes-hall quant-ph
Photoluminescence excitation and spectral hole burning spectroscopy of silicon vacancy centers in diamond
金刚石中的硅空位（SiV）中心由于其明亮的单光子发射和光学可及的自旋态而在量子信息应用中具有广阔的应用前景。此外，低应变金刚石中的SiV中心对介电环境的扰动不敏感，即它们显示出非常弱的光谱扩散。这种特性使得SiV中心的集合对于传感应用是有趣的。我们在这里报告的光致发光激发（PLE）光谱上的SiV合奏在低应变，CVD生长的高品质金刚石层，在那里我们测量的精细结构与高分辨率，并获得线宽和分裂的SiV中心。我们研究了精细结构峰的宽度和位置的温度依赖性。我们的测量揭示了约10 GHz的线宽相比，寿命有限的宽度为0.1 GHz的顺序。这种差异是由残余应变引起的跃迁的不均匀加宽引起的。为了克服不均匀加宽，我们使用光谱烧孔光谱，使我们能够测量一个几乎寿命有限的均匀线宽为279 MHz。此外，我们证明了在系统中的相干相互作用的证据，通过驱动一个$Λ$ -计划。对离子注入产生的单发射体的额外测量证实了光谱烧孔实验中看到的均匀线宽，并将基态分裂与退相干速率联系起来。
2016-03-14 cond-mat.mtrl-sci quant-ph
Diamond surface engineering for molecular sensing with nitrogen-vacancy centers
量子传感使用光学可寻址的原子级缺陷，如金刚石中的氮空位（NV）中心，提供了新的机会，敏感和高度本地化的表征化学功能。值得注意的是，近表面缺陷有助于检测金刚石晶体外部由核或电子自旋产生的微小磁场，例如化学吸附和物理吸附分子中的磁场。然而，NV中心的前景受到关键传感器特性的严重退化的阻碍，即电荷稳定性和自旋相干性，靠近表面（< ca. 10 nm深）。此外，在化学科学中的应用需要用于将目标分子共价键合到金刚石的方法，其具有对密度、取向和结合构型的稳健控制。这篇前瞻性的评论对金刚石表面科学和NV中心物理学的快速融合领域进行了调查，突出了它们在分子量子传感方面的综合潜力。我们概述了有利于NV传感应用的金刚石表面特性，并讨论了减轻有害影响的策略，同时提供化学附着的途径。最后，我们提出了一个新兴的应用前景，其中前所未有的灵敏度和空间分辨率的NV为基础的传感可以提供独特的洞察化学功能化的表面在单分子水平。
2022-07-15 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph quant-ph
Single-molecule Scale Magnetic Resonance Spectroscopy using Nitrogen-Vacancy Centers in Diamond
本文综述利用金刚石NV中心实现单分子尺度磁共振的技术进展、性能局限与参数优化，并指出核自旋三维位置完整重建仍是关键挑战。
2025-01-07 cond-mat.mes-hall physics.app-ph physics.ins-det
Geometry dependence of micron-scale NMR signals on NV-diamond chips
近年来，由于利用氮空位（NV）中心的量子传感领域的快速发展，小体积核磁共振光谱（NMR）技术取得了相当大的进展。金刚石晶格中的这些光学活性缺陷已被用于探测具有高光谱分辨率的皮升范围内前所未有的小体积。然而，NMR信号的大小强烈地依赖于金刚石传感器和样品的几何形状。利用样品自旋偶极矩的Monte-Carlo积分，分析了不同几何结构的NV中心沿取向的磁场投影。我们表明，NMR信号强烈依赖于NV中心相对于金刚石表面的取向。虽然目前使用的平面金刚石传感器的信号作为样本体积的函数收敛，但更优化的几何形状导致几何发散的信号。最后，我们模拟了球形，圆柱形和近2D样品体积的预期信号，涵盖了NV-NMR中有趣应用的相关几何形状，如单细胞生物学或基于NV的超极化。研究结果为微观物体的NV-NMR谱研究提供了指导。关键词：氮空位中心，核磁共振，蒙特卡罗，量子传感，样品几何形状，小体积核磁共振。
2021-11-17 quant-ph
Single Nitrogen-Vacancy-NMR of Amine-Functionalized Diamond Surfaces
金刚石中浅氮空位（NV）中心的核磁共振（NMR）成像提供了一条令人兴奋的途径，可以在纳米尺度上进行灵敏和局部的化学表征。已经取得了显着的进展，打击退化的相干时间和稳定性遭受近表面NV中心使用合适的化学表面终止。然而，还需要能够对吸附的分子密度、取向和结合构型进行鲁棒控制的方法。我们展示了用于混合氮和氧终止的金刚石表面制备，其同时提高了<10 nm深的发射器的NV中心相干时间，并通过胺反应性交联实现了直接和可回收的化学官能化。使用这种方法，我们探测嵌入纳米柱波导中的单个NV中心，以执行CA中共价结合的三氟甲基标签的$^{19}\mathrm{F}$ NMR传感。50-100分子方案。这项工作标志着在单分子水平上实现核自旋定位和结构询问的重要一步。
2022-02-08 cond-mat.mtrl-sci quant-ph
Origins of diamond surface noise probed by correlating single spin measurements with surface spectroscopy
金刚石中的氮空位（NV）中心在环境条件下表现出自旋相关的荧光和长的自旋相干时间，使得在量子信息处理和传感中的应用成为可能。表面附近的NV中心可以与外部材料和自旋具有强相互作用，从而实现新形式的纳米级光谱学。然而，NV自旋相干性在表面的100纳米内降低，这表明金刚石表面受到无处不在的缺陷的困扰。以前的工作表征近地表噪声主要依赖于使用NV中心本身作为探针;虽然这具有灵敏度高的优点，但它只能提供有关噪声来源的间接信息。在这里，我们表明，表面光谱方法和单自旋测量可以作为补充诊断，以了解噪声源。我们发现，表面形态是实现可再现的化学终止的关键，并使用这些见解，以实现一个高度有序的，氧终止的表面抑制噪音。我们观察到NV中心在10 nm的表面与相干时间延长了一个数量级。
2018-10-31 cond-mat.mtrl-sci quant-ph
Momentum-resolved magnetic noise spectroscopy using ensembles of diamond quantum sensors
Princeton University（普林斯顿大学）
本文利用金刚石氮空位中心系综的宽场成像与光学耗尽调谐，实现动量分辨的量子噪声谱学，用于测量强关联物质中多尺度磁涨落。
2026-10-06 cond-mat.mtrl-sci quant-ph
Nanoscale NMR Spectroscopy and Imaging of Multiple Nuclear Species
核磁共振（NMR）和磁共振成像（MRI）是成熟的技术，可在不同的学科中提供有价值的信息，但目前仅限于宏观样品体积。在这里，我们展示了纳米级NMR光谱和成像环境条件下的样品含有多个核物种，使用氮空位（NV）的颜色中心作为传感器的钻石。与单一的，浅NV中心的金刚石芯片和样品放置在金刚石表面上，我们进行NMR光谱和一维MRI的几个纳米大小的样品含有$^1$ H和$^{19}$ F核。或者，我们采用高密度的NV层附近的金刚石芯片的表面，以证明宽场光学NMR光谱的纳米级样品含有$^1$ H，$^{19}$ F，和$^{31}$ P核，以及多物种的二维光学MRI与亚微米分辨率。对于暴露于空气中的所有金刚石样品，我们确定了一个无处不在的$^1$ H NMR信号，与金刚石表面上和置于金刚石上的任何样品下方的吸附烃或水的$\sim 1$ nm层一致。这项工作为纳米级NMR和MRI应用奠定了基础，例如单蛋白质的研究和亚细胞分辨率的功能生物成像，以及亚纳米分辨率的薄膜的表征。
2014-06-12 cond-mat.mes-hall physics.chem-ph quant-ph
Dual-frequency spin resonance spectroscopy of diamond nitrogen-vacancy centers in zero magnetic field
Ioffe Institute（约费研究所）；Cornell University（康奈尔大学）
本文研究了金刚石中氮空位中心在零磁场下的能级反交叉现象，通过双频激发光谱观察到边带跃迁和Autler-Townes分裂，揭示了电子自旋态间的Landau-Zener跃迁机制。
2019-05-20 cond-mat.mes-hall quant-ph
Nanoscale zero-field electron spin resonance spectroscopy
电子自旋共振（ESR）谱在物理、化学和生物学中有着广泛的应用。作为一种补充工具，零场ESR（ZF-ESR）光谱已经提出了几十年，并显示出其自身的优势，研究电子精细和超精细相互作用。然而，ZF-ESR方法由于灵敏度低和需要比常规ESR大得多的样品而很少使用。在这项工作中，我们提出了一种方法，部署在纳米级的ZF-ESR光谱，通过使用高灵敏度的量子传感器，在金刚石中的氮空位中心。我们还测量了金刚石中几个P1心的纳米级ZF-ESR谱，并表明可以直接从谱中提取超精细耦合常数。该方法为ZF-ESR光谱的实际应用打开了大门，例如研究自旋修饰的有机和生物系统中的结构和极性信息。
2020-02-19 quant-ph
Solution nuclear magnetic resonance spectroscopy on a nanostructured diamond chip
我们证明了核磁共振（NMR）光谱的皮升体积的解决方案与纳米结构的金刚石芯片。使用光学干涉光刻技术，金刚石表面被纳米结构化，具有致密、高纵横比的纳米光栅，使芯片的表面积在mm^2区域内增加了15倍以上。纳米光栅的侧壁掺杂有氮空位（NV）中心，使得在一个（25微米）^2激光光斑中有超过1000万个NV中心位于足够靠近金刚石表面（5 nm）的位置，以检测位于相邻纳米光栅凹槽内的1 pL流体的NMR光谱。该平台用于在室温下在低于50 mT的磁场中进行1H和19 F NMR光谱。使用CsF的甘油溶液，我们证明了在1 pL体积中可以检测到4 +/- 2 x 10^12 19 F自旋，其信噪比为1 s积分中的3。这代表了浓度灵敏度比以前的NV和皮升NMR研究提高了近两个数量级。
2017-01-05 cond-mat.mes-hall physics.chem-ph physics.ins-det
Parallel accelerated electron paramagnetic resonance spectroscopy using diamond sensors
CAS Key Laboratory of Microscale Magnetic Resonance and School of Physical Sciences, University of Science and Technology of China（中国科学院微观磁学共振重点实验室和物理科学学院，中国科学技术大学）；Anhui Province Key Laboratory of Scientific Instrument Development and Application, University of Science and Technology of China（安徽省科学仪器开发与应用重点实验室，中国科学技术大学）；Hefei National Laboratory, University of Science and Technology of China（合肥国家实验室，中国科学技术大学）；School of Biomedical Engineering and Suzhou Institute for Advanced Research, University of Science and Technology of China（生物医学工程学院和苏州高等研究院，中国科学技术大学）；Institute of Quantum Sensing and School of Physics, Zhejiang University（量子传感研究所和物理学院，浙江大学）；CAS Center for Excellence in Quantum Information and Quantum Physics, University of Science and Technology of China（中国科学院量子信息与量子物理学卓越创新中心，中国科学技术大学）
利用钻石传感器实现零场交叉弛豫EPR光谱学，提高集体NV中心的EPR测量效率和鲁棒性。
2025-12-10 physics.bio-ph physics.chem-ph quant-ph
Towards Quantum Sensing of Chiral-Induced Spin Selectivity: Probing Donor-Bridge-Acceptor Molecules with NV Centers in Diamond
提出利用金刚石浅层NV中心在单分子至少数分子层面直接探测D-B-A分子自由基对中CISS相关自旋极化的量子传感方案，并以Lee-Goldburg去耦抑制偶极耦合微扰、实现对映选择性检测。
2023-02-03 cond-mat.mes-hall physics.bio-ph physics.chem-ph
Comparison of the photoluminescence properties of semiconductor quantum dots and non-blinking diamond nanoparticles. Observation of the diffusion of diamond nanoparticles in living cells
在单分子水平的光致发光的长期观察，直到最近非常困难，由于光漂白的有机？荧光团分子。虽然无机半导体纳米晶体可以克服这一困难，显示出非常低的光漂白产率，但它们遭受光闪烁。最近引入了一种新的标记，依赖于含有光致发光色心的金刚石纳米颗粒。在这项工作中，我们比较了单量子点（QD）的光致发光的纳米金刚石含有一个单一的颜色中心。与其他标记相反，光致发光纳米金刚石具有完美的光稳定性，并且没有光闪烁。在它们的激发饱和时，纳米金刚石的光致发光强度仅比量子点的光致发光强度小三倍。此外，纳米金刚石的明亮和稳定的光致发光允许宽场观察单个纳米颗粒的运动。我们证明了记录这种单个粒子在培养细胞中的轨迹的可能性。
2009-04-17 cond-mat.mtrl-sci physics.optics quant-ph
Vibrational and electronic ultrafast relaxation of the nitrogen-vacancy centers in diamond
首次对金刚石中的氮空位中心进行了二维电子能谱和瞬态光栅测量。这些测量结果揭示了能量转移和振动路径与自旋相干的后果。
2012-07-18 cond-mat.mes-hall quant-ph
Hyperfine spectroscopy and fast, all-optical arbitrary state initialization and readout of a single, ten-level ${}^{73}$Ge vacancy nuclear spin qudit in diamond
本研究实现了对金刚石中单个十能级 ${}^73$Ge 空位核自旋 qudit 的超精细结构观测、核自旋读出，并在微秒尺度上以高达约 84% 的保真度实现了任意态的光控初始化，
2024-02-13 cond-mat.mes-hall quant-ph
Multidimensional spectroscopy of nuclear spin clusters in diamond
本研究针对近表面自旋缺陷用于分子结构NMR分析时核环境表征不足的问题，结合多维光谱学与单核自旋进动弱测量，提出傅里叶光谱技术，实现室温下浅氮-空位中心$^{13}\text{C}$核自旋环境的精确定位与光谱编辑，为单自旋探针的分子结构分析提供新工具。
2024-03-04 cond-mat.mes-hall quant-ph
Probing the Origins of Inhomogeneous Broadening in Nitrogen-Vacancy Centers with "Doppler-Free" Type Spectroscopy
为了更好地理解金刚石中氮空位中心的基本物理过程，并实现该系统在技术应用中的改进，必须对表观不均匀加宽的起源获得新的见解。在这项工作中，我们利用一种新型的光谱专门为此任务开发。泵浦-探测光谱学与原子蒸气中使用的无多普勒光谱学密切相关。我们表明，起源的不均匀加宽来自本地磁场变化的金刚石晶格。
2018-07-24 cond-mat.mes-hall quant-ph
Photoluminescence excitation spectroscopy of SiV$^{-}$ and GeV$^{-}$ color center in diamond
金刚石中的色心是重要的量子发射体，其应用范围从量子传感到量子光学。了解内能能级结构对未来的应用具有根本的重要性。利用光致发光（PL）和激发光谱（PLE）在460 ~ 650 nm的宽波长范围内对金刚石中少量带负电荷的硅空位（SiV $^{-}$）和锗空位（GeV $^{-}$）中心系综的能级结构进行了实验研究，并进行了与功率相关的饱和度测量.对于SiV $^{-}$，我们的实验结果证实了在~ 2.31 eV处存在更高能量的跃迁。通过与详细的理论模拟的虚介电函数的比较，我们解释的过渡作为一个偶极允许的过渡从$^{2}E_{g}$ -状态到$^{2}A_{2u}$ -状态，相应的$a_{2u}$ -水平位于金刚石价带深处。因此，金刚石带加宽了过渡。在更高的激发功率为10 mW，我们表示的宇称守恒过渡在~2.03 eV的饱和测量支持的迹象。对于GeV的$^{-}$，我们证明了PLE谱与零声子线（ZPL）的PL谱的镜像很好地吻合。在实验上，我们没有观察到一个更高的躺在能级的跃迁波长为460 nm。观察到的PL光谱是相同的，独立于激发波长，表明快速衰减到$^{2}E_{u}$激发态，然后光学跃迁到$^{2}E_{g}$基态。我们的研究为基于金刚石中SiV $^{-}$心和GeV $^{-}$心的未来量子光学和量子传感实验提供了重要的启示。
2017-05-30 cond-mat.mtrl-sci physics.optics quant-ph
Hyperpolarized relaxometry based nuclear T1 noise spectroscopy in hybrid diamond quantum registers
理解混合量子系统中自旋寿命的起源在量子信息和传感的几个领域中是当前重要的问题。光谱映射自旋弛豫过程的方法提供了对其起源的深入了解，并可以激励减轻它们的方法。在本文中，使用超极化和精确的场循环在一个广泛的范围（1 mT-7 T）的组合，我们映射的频率依赖的弛豫在一个典型的混合系统的13 C核自旋在金刚石耦合到氮空位中心。通过光学泵浦NV电子的核超极化允许测量的信号时间节省超过常规方法的百万倍。我们观察到，13 C寿命显示出戏剧性的字段依赖性，增长迅速，字段高达100 mT和饱和之后。通过一个系统的研究，随着替代电子（P1中心）浓度以及13 C富集水平的增加，我们确定了操作弛豫通道的核在不同的领域制度。特别是，我们证明了13 C原子核耦合到相互作用的P1电子自旋浴所发挥的主导作用。这些结果为耗散工程的量子控制技术铺平了道路，以提高金刚石的自旋寿命，其应用范围从工程量子存储器到超极化13 C成像。
2019-02-17 cond-mat.mes-hall quant-ph
High-Resolution Correlation Spectroscopy of 13C Spins Near a Nitrogen-Vacancy Center in Diamond
包含氮空位（NV）中心和相邻自旋的自旋复合物被认为是新一代自旋电子学和量子信息处理器件的构建块。由于组装相同的自旋团簇是困难的，新的策略是为了以最高的精度确定单个节点结构。在这里，我们使用的脉冲协议来监测的NV中心附近的13 C合奏的时间演化。我们观察到长寿命的时间相关性的核自旋动力学，有限的NV自旋晶格弛豫。我们使用主机14 N自旋作为量子寄存器，并证明在适当的NV初始化后可以分离超精细位移共振。有趣的是，我们发现相关信号的幅度表现出对所施加的磁场的急剧依赖。我们讨论了这一观察的背景下，最近提出的量子到经典的过渡，以解释场依赖的自旋团簇动力学。
2013-05-07 cond-mat.mes-hall quant-ph
Sensing and atomic-scale structure analysis of single nuclear spin clusters in diamond
单分子核磁共振（NMR）是磁共振光谱学领域的一项重要挑战，在化学分析和量子计算中具有重要应用。近年来，金刚石中氮空位中心自旋保持量子相干性的实验研究进展以及通过动态解耦控制实现原子尺度磁测量的理论建议使这一重大挑战得以解决。通过动态解耦控制下NV中心的退相干测量，实现了单个$^{13}\textbf{C}$的纳米级传感。直接测量单核自旋团簇内的相互作用是单分子结构分析的最终目标。在这里，我们感测到一个单一的$^{13}\textbf{C}$ - $^{13}\textbf{C}$核自旋二聚体位于约1 nm的NV中心，并表征了两个核自旋之间的相互作用，通过测量NV中心的自旋退相干在各种动力学解耦控制。从测量的相互作用，我们推导出的空间结构的二聚体与原子尺度的分辨率。这些结果表明，动力学解耦控制下的中心自旋退相干是单分子NMR结构分析的一个可行的探针。
2013-09-25 cond-mat.mes-hall quant-ph
Nanoscale NMR of DNA-Functionalized Diamond Using Individual NV Centers
ETH Zürich（苏黎世联邦理工学院）；University of Calgary（卡尔加里大学）；National Institute of Standards and Technology（美国国家标准与技术研究院）；University of Colorado, Boulder（科罗拉多大学博尔德分校）；University of Fribourg（弗里堡大学）
本研究利用单个NV色心在金刚石纳米柱中实现纳米尺度核磁共振检测氟化DNA，通过共价连接$^{19}$F标记寡核苷酸，结合模拟验证，为表面固定生物分子的单分子结构解析奠定基础。
2026-09-09 physics.app-ph physics.ins-det quant-ph
Optical tuning of the diamond Fermi level measured by correlated scanning probe microscopy and quantum defect spectroscopy
本研究利用局域激光氧化氢化金刚石表面，并结合C-AFM、KPFM与浅层NV、SiV缺陷光谱，实现至少2.00 eV范围的费米能级精确调控及量子缺陷电荷稳定。
2023-09-27 physics.app-ph quant-ph
Microwave-assisted spectroscopy technique for studying charge state in nitrogen-vacancy ensembles in diamond
介绍了一种微波辅助光谱技术，用于测定金刚石中带负电荷（NV ${}^-$）和中性电荷（NV ${}^0$）的氮空位（NV）中心的相对浓度，并介绍了该技术在研究NV系综中自旋相关电离和提高NV磁强计灵敏度方面的应用。我们的技术是基于选择性地调制NV ${}^-$荧光与自旋状态共振微波驱动器，以隔离，在原位，NV ${}^-$和NV ${}^0$的光谱形状的NV系综样品的荧光的贡献。除了作为一种可靠的手段来表征电荷态比，该方法可以被用来作为一种工具，研究自旋相关的NV系综电离。作为一个例子，我们将微波技术应用于高NV密度的金刚石样品，并发现了一个新的自旋相关电离途径的证据，我们在这里提出的数据的速率方程模型。我们进一步表明，我们的方法可用于增强NV合奏光学检测磁共振（ODMR）的对比度，并可能导致显着的灵敏度增益在NV磁力计占主导地位的技术噪声源，特别是在NV ${}^0$人口是大的。与高NV密度金刚石样品在这里研究，我们证明了高达4.8倍的增强ODMR对比度。这里提出的技术也可以应用于其他固态缺陷，其荧光可以通过微波驱动器选择性地调制。我们证明了这种效用，通过应用我们的方法来隔离室温下的V2型硅空位的V1和V2硅空位在4H碳化硅的合奏光谱特征。
2019-12-10 cond-mat.mes-hall quant-ph
Towards chemical structure resolution with nanoscale nuclear magnetic resonance spectroscopy
核磁共振（NMR）光谱已经接近单分子灵敏度的极限，然而光谱分辨率目前不足以获得关于化学结构和分子相互作用的详细信息。在这里，我们证明了两个以上的数量级的光谱分辨率的改善，通过执行相关光谱与浅氮空位（NV）在金刚石磁传感器。原则上，该分辨率足以观察$\sim$ 1 T磁场中的化学位移，目前受到表面分子扩散的限制。我们测量了在金刚石表面处的（5nm）$^3$体积内的$D = 0.15 - 0.2$ 1nm $^2/\mathrmμ$的油扩散速率。
2015-06-19 cond-mat.mes-hall quant-ph
Irradiation-Induced Spin Bath Evolution and as-Grown Hydrogen Defects in CVD Diamond Revealed by NV-Based DEER Spectroscopy
Hasselt University（哈瑟尔特大学）；IMEC；Nuclear Physics Institute of the CAS（捷克科学院核物理研究所）
该研究利用NV中心的DEER光谱，揭示CVD金刚石中辐照诱导的自旋浴演化与原生氢缺陷，建立自旋浴对NV中心相干性影响的模型，为量子传感用金刚石材料优化提供关键支撑。
2026-08-19 physics.atom-ph quant-ph
Rapid determination of single substitutional nitrogen N$_s^0$ concentration in diamond from UV-Vis spectroscopy
单取代氮原子N $_s^0$是在金刚石中形成氮空位中心的先决条件。它们用作电子供体以产生所需的NV $^-$中心，提供对抗光电离的电荷稳定性，但也是退相干的主要来源。因此，精确和快速地测定N $_s^0$浓度是材料改进和应用方面的许多NV相关研究的关键优势。在这里，我们提出了一种方法来确定的N $_s^0$浓度的基础上吸收光谱在紫外-可见光范围内，并拟合270 nm的吸收带。紫外-可见光谱具有实验简单和广泛的可用性，比现有方法具有优势。它允许快速测定N $_s^0$密度，即使对于大量的样品。我们的方法显示出进一步的优势，在确定低浓度以及本地测量的能力，这是高度相关的金刚石与很大程度上不同的N $_s^0$浓度在一个单晶。与电子顺磁共振（EPR）的交叉检验表明我们的方法具有很高的可靠性，并产生了270 nm吸收带的吸收截面，$σ=1.96\pm0.15$ cm $^{-1}\cdot$ ppm $^{-1}$（常用对数）或$σ_e=4.51\pm0.35$ cm $^{-1}\cdot$ ppm $^{-1}$（自然对数），其用作确定N $_s^0$浓度的参考，并且使得我们的方法适用于其他方法而不需要已知的N $_s^0$ -参考样品和校准。我们提供了一种快速、实用和可复制的途径，该途径独立于所使用的机器，并且可以作为测定N $_s^0$浓度的标准表征方法广泛实施。
2022-08-02 cond-mat.mtrl-sci physics.optics quant-ph
All-optical sensing of a single-molecule electron spin
我们展示了一种在室温下的环境条件下对单个分子进行磁传感的全光学方法。我们的方法是基于浅氮空位（NV）中心附近的金刚石晶体，我们用它来检测单顺磁性分子共价连接到金刚石表面的表面。NV中心的操纵和读出是全光学的，并且提供了源自所附分子的电子自旋的动力学的磁场波动的灵敏探针。作为一个具体的例子，我们证明了一个单一的顺磁性分子含有钆（Gd $^{3+}$）离子的检测。我们确认单分子分辨率使用光学荧光和原子力显微镜共定位一个NV中心和一个Gd $^{3+}$ -含有分子。可能的应用包括纳米级和体内磁光谱和单个分子的成像。
2013-11-07 cond-mat.mes-hall physics.atom-ph physics.bio-ph
Spectroscopy Study on NV Sensors in Diamond-based High-pressure Devices
本研究对比金刚石对顶砧中注入式NV中心与纳米金刚石NV的应力环境及传感性能，提出拓展ODMR量子传感压力上限的方法，并探索NV中心的全光压力传感与脉冲测量应用潜力。
2023-01-13 cond-mat.mes-hall quant-ph
Spectroscopy of photoionization from the $^1E$ singlet state in nitrogen$-$vacancy centers in diamond
本文通过光致发光场猝灭效应测量金刚石NV中心单重态与三重态之间的能隙，发现温度依赖性电离阈值，将单重态定位在金刚石带隙内。
2024-02-26 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph physics.comp-ph
Strongly Coupled Diamond Spin Qubits by Molecular Nitrogen Implantation
电离氮分子（$^{15}$ N $_{2}^+$）被用作有效的点源，用于在金刚石中产生具有纳米级空间分离和高达55 kHz磁耦合强度的NV $^-$对。共注入$^{12}$ C $^+$增加了对的产率，并且$^{13}$ C耗尽的金刚石允许获得0.65 ms的相干时间。进一步耦合到第三暗自旋提供了强耦合的三自旋寄存器。这些结果标志着实现多量子位系统和可扩展NV $^-$量子寄存器的重要一步。
2013-11-05 cond-mat.mtrl-sci quant-ph
Diamond Surface Functionalization via Visible Light-Driven C-H Activation for Nanoscale Quantum Sensing
本研究提出一种可见光驱动的C-H键活化策略，在环境条件下直接功能化单晶金刚石表面，兼容近表面电荷稳定的NV中心，实现纳米尺度核磁共振化学传感与单分子光谱分析。
2023-09-13 cond-mat.mtrl-sci quant-ph
Resonance-inclined optical nuclear spin polarization of liquids in diamond structures
室温下溶液中分子的动态核极化（DNP）有可能彻底改变核磁共振光谱和成像。用于在溶液中实现DNP的流行方法通常在电子和核自旋之间的小相互作用相关时间的范围内最有效，限制了可接近分子的大小。为了解决这个问题，我们设计了一种机制，在液相中的DNP是适用于大的相互作用相关时间。重要的是，虽然这种机制利用了类似于固态DNP的共振条件，但由于分子运动，偏振转移对共振的相对大的失谐是鲁棒的。我们将此方案与纳米金刚石中的光学偏振氮空位（NV）中心自旋相结合，设计了一种采用光泵浦的设置，因此不受室温电子热偏振的限制。我们用数字说明了模型的有效性，在流动细胞含有纳米金刚石固定在水凝胶中，极化流动的水分子4700倍以上的热极化在磁场为0.35 T，在体积可检测的当前NMR扫描仪。
2015-10-12 cond-mat.mes-hall physics.chem-ph quant-ph
Vibrational spectroscopy of polar molecules with superradiance
本文研究了在高光学深度（OD）样品中极性分子光谱中振动跃迁的合作现象和超辐射。这种协同性来自于通过偶极-偶极相互作用建立的粒子间相干性，并导致衰变过程的加速。我们将我们的计算与最近的工作进行比较[Deiglmayr等人，EUR. J. D 65，99（2011）]，并且发现非常好的一致性，这表明超辐射效应需要包括在各种各样的超冷分子设置中，包括振动和旋转状态。
2013-02-07 physics.atom-ph quant-ph
