Calculating the Hyperfine Tensors for Group-IV Impurity-Vacancy Centers in Diamond: A Hybrid Density-Functional Theory Approach
超精细相互作用是理解半导体中缺陷结构和对称性的重要探针。密度泛函理论已经表明它可以为超精细张量和由此产生的超精细常数提供有用的第一性原理预测。最近，人们对使用IV族杂质空位色心X $V^-$（其中X = Si，Ge，Sn或Pb，$V$是碳空位）在量子计算和量子信息科学中的重要应用产生了极大的兴趣。在本文中，我们计算了这些X $V^-$色心的超精细张量使用HSE 06屏蔽Hartree-Fock混合交换相关泛函包括核心电子自旋极化。我们已经比较了我们的结果，计算只使用PBE交换相关功能，而不包括核心电子自旋极化，我们发现我们的结果是非常好的协议与现有的实验结果。最后，我们从理论上证明了这些X $V^-$色心表现出Jahn-Teller畸变，这解释了所观察到的超精细常数在相邻的$^{13}$ C核自旋之间的各向异性分布。
2021-05-30 cond-mat.mtrl-sci
Influence of (N,H)-terminated surfaces on stability, hyperfine structure, and zero-field splitting of NV centers in diamond
利用密度泛函理论对金刚石中位于（111）或（100）面附近的带负电荷的氮空位（NV $^-$）缺陷复合体进行了理论分析.我们评估的NV $^-$中心的稳定性和电子性质，并研究它们对表面终止的H：N比的依赖性。分析了NV $^-$心的形成能、电子态密度、超精细结构和零场分裂参数随其到表面的距离和取向的变化。只要表面末端由至少25%的取代氮原子组成，我们在距离表面至少$\sim8$ Angstroem的距离处发现了具有体状性质的稳定NV $^-$中心。我们的研究结果表明，轴向NV中心附近的平坦的100\%的N-终止（111）表面是NV为基础的量子传感应用的最佳选择，因为它们是最小的影响，接近的表面。
2022-02-18 cond-mat.mtrl-sci
Cobalt-related impurity centers in diamond: electronic properties and hyperfine parameters
用第一性原理计算研究了金刚石中与钴有关的杂质中心。我们计算的对称性，形成和过渡的能量，和超精细参数的钴杂质在孤立的配置，并在涉及空位和氮原子的配合物。我们发现，在一个双空位的钴杂质是积极有利的，并在其附近的氮原子偏析。我们的研究结果进行了讨论的背景下，最近观察到的Co相关的电活性中心的合成金刚石。
2013-07-10 cond-mat.mtrl-sci physics.comp-ph
Spin-orbit coupling and Jahn-Teller effect in $T_d$ symmetry: an \textit{ab initio} study on the substitutional nickel defect in diamond
本文通过杂化密度泛函理论分析$T_d$对称性下自旋-轨道与Jahn-Teller效应，应用于金刚石替位镍缺陷，计算精细结构与磁光参数，证实2.56和2.51 eV光学中心归属，并揭示光学跃迁及ODMR机制。
2023-09-04 cond-mat.mtrl-sci quant-ph
Theory of the ground state spin of the NV- center in diamond: I. Fine structure, hyperfine structure, and interactions with electric, magnetic and strain fields
金刚石中带负电荷的氮空位中心的基态自旋已经成为量子精密测量和固态量子信息处理中新前沿最近快速扩展的平台。在环境条件下，自旋已被证明是一种高精度的磁场和电场传感器以及能够与附近的核自旋和电子自旋耦合的固态量子比特。然而，尽管有许多杰出的证明，自旋的理论还没有完全发展，目前还没有彻底解释它的许多性质，如电子g因子的各向异性和斯塔克效应和应变分裂的存在。在这项工作中，基态自旋的理论是第一次充分发展的中心，以提供详细的解释自旋的精细和超精细结构及其与电场，磁场和应变场的相互作用的分子轨道理论。
2011-07-20 cond-mat.mtrl-sci
Accurate Hyperfine Tensors for Solid State Quantum Applications: Case of the NV Center in Diamond
针对VASP计算金刚石NV色心弱耦合核自旋超精细参数误差可超100%的问题，本文实现替代方法，使各距离相对平均误差降至O(1%)，支撑高精度量子节点仿真与核自旋定位。
2024-05-09 cond-mat.mtrl-sci quant-ph
Ab initio supercell calculations on nitrogen-vacancy center in diamond: its electronic structure and hyperfine tensors
金刚石中的氮空位中心是实现量子信息中自旋量子比特概念的一个有希望的候选者。尽管这种缺陷已经被发现很久了，但它的电子结构和其他性质尚未被详细探索。本文采用密度泛函理论，在局域自旋密度近似下，利用超原胞方法研究了金刚石中氮空位中心的性质。虽然这一理论是严格适用于基态的性质，我们能够给这个缺陷的激发态的能量序列的估计。我们还计算了基态的超精细张量。结果清楚地表明：（i）自旋密度和适当的超精细常数沿平面分布，并且不均匀地分布在缺陷的核心周围;（ii）可测量的超精细常数可以在距离空位位置约7 A内找到。这些结果对电子自旋的退相干有重要的意义，而退相干对于在金刚石中实现自旋量子比特是至关重要的。
2008-03-08 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.other
A new, enhanced diamond single photon emitter in the near infra-red
金刚石中的单个色心在近期的量子技术包括量子密钥分发和计量学中是有希望的。在这里，我们展示了一个新的色心，它具有超过两个主要的停留中心，即氮空位和NE8中心的电子物理性能的制造。新的中心是利用聚焦离子束注入镍到孤立的化学气相沉积金刚石微晶。室温下的光致发光研究表明，在近红外区域的中心在768 nm的寿命短至2 ns的窄发射。它的聚焦离子束兼容性为纳米分辨率的制造和集成量子光子器件的实现开辟了前景。初步研究表明，这个中心来自一个尚未表征的镍硅复合物。
2009-02-18 cond-mat.mtrl-sci
Implantation of labelled single nitrogen vacancy centers in diamond using 15N
用7 keV ~（15）N（I = 1/2）离子注入Ⅱ a型金刚石，在金刚石中产生了氮空位（NV-）色心。光学检测的磁共振被用来测量NV-中心的超精细耦合。来自注入15 N产生的15 NV-的超精细光谱可以与由天然14 N（I = 1）位点产生的14 NV-中心区分开。分析表明，40个注入的15 N原子中有1个产生了光学上可观察到的15 NV-中心。本报告最终证明了一种机制，通过该机制可以测量通过氮注入形成NV中心的产率。
2006-04-18 cond-mat.mtrl-sci
Stability and electronic structure of NV centers at dislocation cores in diamond
本文用密度泛函理论分析了金刚石中30个$^\circ$和90个$^\circ$部分滑移位错中位于或接近位错核的带负电荷的氮空位缺陷复合体。分析了在这种结构畸变环境中NV中心的形成能、电子态密度、结构形变、超精细结构和零场分裂参数。NV中心的形成能量在位错核心处比结晶金刚石的体积值低多达3eV。我们发现，当NV中心的轴平行于位错线取向时，在30 $^\circ$部分滑移位错的核心处的NV中心的最低能量配置被实现。这种特殊的构型具有稳定的三重态基态。它的超精细常数和零场分裂参数偏离体积NV中心的值仅3%。因此，这是沿着位错线的NV中心的线性阵列的自组装的一个有趣的候选者。
2022-11-29 cond-mat.mtrl-sci
Decoration of growth sector boundaries with single nitrogen vacancy centres in as-grown single crystal HPHT synthetic diamond
通过高压高温（HPHT）合成可以生产大尺寸（> 100 mm $^3$）、相对纯净（II型）和低双折射的单晶金刚石。在这项研究中，我们研究了一个HPHT样品的良好的结晶完整性，含有小于1 ppb（十亿分之一碳原子）的硼杂质原子在{001}生长部门和氮杂质原子只有几十ppb。结果表明，{111}和{113}生长扇区之间的边界是由带负电荷的氮空位中心（NV $^-$）装饰：没有装饰观察到在任何其他类型的生长扇区界面。这种装饰可以用来计算相对{111}和{113}生长率。本体（001）扇区包含低于10 $^{11}$ cm $^{-3}$（10 $^{-3}$ ppb）的发光点缺陷浓度（用488和532 nm波长激发）。我们观察到带负电荷的硅空位（SiV $^-$）缺陷的体{111}扇区随着零声子线发射与镍缺陷在884 nm（1.40 eV）。对于NV $^-$或SiV $^-$缺陷均未观察到择优取向，但镍相关缺陷以其三角轴沿<111>扇形生长方向取向。由于NV $^-$缺陷预期在HPHT金刚石生长温度下容易重新取向，因此对于该缺陷预期没有优先取向，但是没有解释{111}扇区中SiV $^-$的优先取向的缺乏。
2020-02-18 cond-mat.mtrl-sci
Optical centers in cubic boron nitride and diamond: remarkable similarities
Central European Institute of Technology, Brno University of Technology（中欧技术研究所，布尔诺理工大学）；Jilin Diamond Technology Research & Development（吉林金刚石技术研发有限公司）
通过对比同立方压力机生长的立方氮化硼与金刚石的光吸收和发光，发现二者光学中心谱学特征相似，初步归属了立方氮化硼中多种光学中心的缺陷起源。
2026-08-05 cond-mat.mtrl-sci
Can surface-transfer doping and UV irradiation during annealing improve shallow implanted Nitrogen-Vacancy centers in diamond?
据报道，如果费米能级在注入后的退火步骤期间升高或降低，则离子注入的NV中心的转换产率和相干时间提高。在这里，我们调查是否表面转移掺杂和表面充电，紫外线，可以利用诱导这种效果。我们分析的相干时间和产量的NV中心离子注入和退火，在退火过程中施加各种条件。具体而言，我们研究了用镍，钯或氧化铝涂覆金刚石，以诱导正表面转移掺杂，以及在紫外线照射下退火以引发空位充电。金属涂覆的金刚石显示出比其他样品高两倍的形成产率。相干时间$T_2$在所研究的样本之间的变化小于2倍。这两种效应都弱于以前的报告，这表明更强的修改能带结构是必要的，以找到一个显着的效果。UV照射对产率和$T_2$倍无影响。
2020-07-30 cond-mat.mtrl-sci
Magneto-optical properties of Group-IV--vacancy centers in diamond upon hydrostatic pressure
HUN-REN Wigner Research Centre for Physics（匈牙利科学院维格纳物理研究中心）；Eötvös Loránd University（罗兰大学）；Center for Physical Sciences and Technology (FTMC)（立陶宛物理与工程技术中心）；Budapest University of Technology and Economics（布达佩斯技术与经济大学）；MTA-WFK Lendület ”Momentum” Semiconductor Nanostructures Research Group（匈牙利科学院WFK lendulet “动量”半导体纳米结构研究组）
本研究探讨了金刚石中IV族-空位缺陷在高压下的磁光性质，揭示了压力对自旋轨道分裂、超精细张量及相干时间的影响。
2025-10-01 cond-mat.mtrl-sci quant-ph
Density functional theory study of substitutional oxygen in diamond
近年来，对金刚石中氧的存在进行了一些研究，如从理论上和实验上将N3 EPR中心归属于由取代氮和取代氧作为近邻的络合物组成的模型。从稳定性、电子结构、几何构型和超精细相互作用等方面对金刚石中的氧进行了从头算计算，结果表明，含C的氧$_{2v}\,$，$S=1$是基态构型.我们发现，氧产生施主或受主能级取决于费米能级的位置。
2016-09-15 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.str-el
Optical lineshapes for orbital singlet to doublet transitions in a dynamical Jahn-Teller system: the NiV$^{-}$ center in diamond
本研究应用密度泛函理论和先进方法，建模金刚石中NiV$^{-}$中心的多模动力学Jahn-Teller系统，准确再现了1.4 eV光致发光线型，证实了JT活性模式对光学线型的关键影响。
2024-07-01 cond-mat.mtrl-sci
Ultrahigh nitrogen-vacancy center concentration in diamond
使用电子和中子照射并随后以逐步方式进行热退火，在含有约100 ppm氮的金刚石单晶中产生高浓度的带负电荷的氮空位（$\text{NV}^{-}$）中心。用连续波电子顺磁共振（EPR）测定了各步反应中N原子向$\text{NV}^{-}$中心的转化率，最高可达17.5%.电子辐照后形成的电荷空位所示的EPR谱，但热退火恢复样品的质量作为缺陷信号减弱。我们发现在退火过程中约有25%的空位形成了NVs.大的$\text{NV}^{-}$浓度允许观察取向依赖的自旋弛豫时间，并且还允许使用电子自旋回波（ESE）和电子-核双共振（ENDOR）以高精度确定超精细和四极耦合常数。我们还观察到EPR信号与所谓的W16中心，其光谱特性可能意味着氮二聚体空位中心的起源。
2021-12-10 cond-mat.mtrl-sci
Be and Be-related impurities in diamond: density functional theory study
University of Tripoli（的黎波里大学）；High Institute for Comprehensive Professions (Al-Shmokh Institution)（高等综合职业学院（阿尔-什莫赫机构））
研究通过密度泛函理论分析铍及铍-氮共同掺杂对金刚石电学性质的影响，发现取代掺杂更稳定，但深层供体限制其室温应用。
2025-12-26 cond-mat.mtrl-sci
Electronic structure and magneto-optical properties of silicon-nitrogen-vacancy complexes in diamond
金刚石中的硅空位（SiV）和氮空位（NV）中心通常被认为是固态量子信息处理的原型缺陷。在这里，我们表明，当硅和氮同时引入到金刚石晶格中，这些缺陷可以强烈地相互作用，形成更大的复合物。氮原子与Si和SiV中心强烈结合，可以形成络合物。使用混合密度泛函理论（DFT）和群论的组合，我们分析了电子结构，并提供了各种有用的物理性质，如超精细结构，准本地振动模式，零声子线，使这些配合物的实验鉴定。我们表明，氮附近的替代硅的存在下显着的施主能级向导带的位移，导致在SiN中心的活化能，这是可比的磷。我们还发现，中性的SiNV中心是特别感兴趣的，由于其光子发射在$\sim$ 1530 nm，这属于电信波长的C波段内，其顺磁性质。此外，与SiNV $^0$色心相关的光学跃迁表现出非常小的电子-声子耦合（Huang-Rhys因子~=~0.78），导致单光子发射的高量子效率（Debye-Waller因子= 46\%）。这些特征使得这个新中心对于可扩展量子电信网络的潜在应用非常有吸引力。
2020-06-21 cond-mat.mtrl-sci
Detection and control of single proton spins in a thin layer of diamond grown by chemical vapor deposition
我们报道了利用金刚石中氮空位中心的电子自旋作为量子传感器来探测和相干控制单个质子核自旋。除了通过采用多脉冲序列确定NV-质子超精细参数外，我们还对单质子自旋进行了相干旋转，并检测到了诱导的自由进动。自由感应衰变的观测是高分辨质子核磁共振的重要组成部分，本文将其扩展到原子尺度。我们还讨论了质子的起源，在化学气相沉积生长过程中，这提供了一个机会，使用金刚石中的质子作为内置的量子存储器耦合的NV中心。
2020-09-17 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci 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
\emph{Ab initio} study of (100) diamond surface spins
本研究通过密度泛函理论从头算，提出(100)金刚石表面台阶边缘的(111)晶面可稳定自旋缺陷，并揭示退火湮灭机制，为表面核自旋传感提供理论方案。
2023-06-22 cond-mat.mtrl-sci quant-ph
Spin coherence in strongly coupled spin baths in quasi-two-dimensional layers
本文研究准二维金刚石层中 NV⁻ 自旋与强耦合氮缺陷浴的相干衰减，提出团簇关联展开分区方法，证明薄层可突破体材料高缺陷浓度限制。
2025-02-14 cond-mat.mtrl-sci quant-ph
Spin qubit based on the nitrogen-vacancy center analog in a diamond-like compound C3BN
金刚石中的氮空位（NV）中心在新兴的量子技术中起着重要作用。目前可用的制造NV中心的方法通常涉及复杂的工艺，例如N注入。相反，在类金刚石化合物C3 BN中，产生硼（B）空位立即导致NV中心类似物。我们使用强约束和适当赋范（SCAN）半局域密度泛函-这个功能导致几乎相同的零声子线（ZPL）的能量作为实验，并从更耗时的混合密度泛函计算获得-探索这种NV中心模拟作为一种新型的自旋量子比特的潜力在量子信息处理中的应用。我们发现，在C3 BN中的NV中心类似物具有许多类似于金刚石中的NV中心的性质，包括宽的带隙，弱的自旋-轨道耦合，一个能量稳定的负电荷状态，一个高度局域化的自旋密度，一个顺磁三重态基态，和强的超精细相互作用，这些性质使金刚石中的NV中心脱颖而出，作为一个合适的量子位（qubit）。我们预测C3 BN中的NV中心模拟物表现出两个ZPL能量，对应于接近量子通信理想电信波段的较长波长。这里研究的C3 BN仅代表A3 XY（A：IV族元素; X/Y：III/V族元素）化合物的一个实例。我们期望这个家族的许多其他化合物具有类似的NV中心类似物，具有广泛的ZPL能量和功能特性，有望成为量子技术应用的量子比特的新宿主。此外，A3 XY化合物通常含有IV族元素，如硅和锗，因此它们与复杂的半导体加工技术兼容。我们的工作为可扩展的量子位主体材料和新型量子器件提供了充足的机会。
2020-06-27 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
Detecting nitrogen-vacancy-hydrogen centers on the nanoscale using nitrogen-vacancy centers in diamond
本文利用金刚石薄层中的 NV 中心作为纳米传感器，结合 DEER 技术实现对 NVH⁻ 中心的纳米尺度探测与定量，从而为高 NV 浓度金刚石的 CVD 生长优化提供快速反馈方法。
2023-11-30 cond-mat.mtrl-sci quant-ph
All-electron density functional calculations for electron and nuclear spin interactions in molecules and solids
在外部磁场存在下，电子自旋和核自旋之间的相互作用可以通过自旋哈密顿量来描述，其中参数从第一原理、电子结构计算获得。我们描述了一种方法来计算这些参数，适用于分子和固体，这是基于密度泛函理论（DFT）和实空间，使用有限元（FE）的全电子计算。我们报告的超精细张量，零场分裂张量（自旋-自旋分量）和核四极张量的一系列分子和氮空位中心的金刚石。我们比较我们的结果与使用高斯轨道和平面波基组的计算，我们讨论了它们的数值精度。我们表明，基于FE的计算可以系统地收敛相对于基组，从而允许一个建立参考值的自旋哈密顿参数，在一个给定的DFT水平。
2019-03-17 cond-mat.mtrl-sci physics.chem-ph physics.comp-ph
