Ultrafast, all-optical coherent control of single silicon vacancy colour centres in diamond
最近，金刚石中带负电荷的硅空位中心（SiV）由于其优异的光谱性质和有利的电子结构而成为量子信息处理（QIP）的新的有前途的系统：SiV提供了一个光学可访问的Λ-型能级结构，即使不需要外部磁场，也具有大的轨道能级分裂，并且先前的研究确定了这种结构的基态相干时间。中心在35- 45 ns的量级。虽然这些研究已经表明了SiV的超快全光相干控制的可行性，但到目前为止还没有实验实现。在这里，我们报告的光学拉比振荡和拉姆齐干涉之间的地面和激发态的SiV使用12 ps长，共振旋转脉冲。此外，利用一个Λ-方案，我们证明了基于拉曼相干拉比旋转和Ramsey干涉的基态流形使用一个单一的，1 ps长的非共振脉冲。这些测量证明了完全依赖于光场的完整单量子比特操作的可访问性，并为使用SiV中心的高速QIP应用铺平了道路。
2016-03-02 quant-ph
Optically induced spin polarisation of the NV- centre in diamond: role of electron-vibration interaction
金刚石中心（NV-）的新方面是通过光学照明实现的高度自旋极化。在本文中，它示出的自旋极化发生的结果，结合自旋轨道相互作用的电子振动相互作用，并开发一个电子模型，涉及这些相互作用来解释所观察到的极化。
2010-11-12 cond-mat.mtrl-sci quant-ph
Phonon-assisted charge-cycling of nitrogen-vacancy centres in diamond
Ulm University（乌尔姆大学）；Integrated Quantum Science and Technology (IQST), Ulm University（乌尔姆大学集成量子科学与技术）
研究揭示了声子辅助反斯托克斯激发在氮空位中心电荷循环中的作用，通过新模型发现低能声子和43 meV模式对电荷循环动态有显著影响。
2026-05-08 quant-ph
Determination of the 3D Magnetic Field Vector Orientation with NV Centers in Diamond
磁场取向的绝对知识在单自旋量子磁学和自旋量子计算中起着至关重要的作用。在本文中，我们重建了一个任意的静态磁场与个别的氮空位（NV）中心的金刚石的三维取向。我们确定的极性和方位角的磁场取向相对于金刚石晶格。因此，我们使用来自NV的光致发光各向异性的信息，以及一个简单的脉冲光检测磁共振（ODMR）实验。我们的纳米级磁场测定是普遍适用的，不依赖于特殊的先决条件，如强耦合核自旋或特定的可控领域。因此，我们提出的结果开辟了新的途径，精确的NMR重建和调制的电子-电子自旋相互作用的EPR测量专门定制的磁场。
2020-01-15 quant-ph
Nitrogen-vacancy centre in lonsdaleite: a novel nanoscale sensor?
本文通过 ab initio 建模研究了六方金刚石中的氮-空位（NV）色心，发现其三种构型具有独特性质，并预测其基态精细结构分裂，为新型碳基量子传感和 lonsdaleite 结构鉴定提供了新方法。
2025-09-16 quant-ph
Photoelectrical detection of electron spin resonance of nitrogen-vacancy centres in diamond
金刚石中氮空位（NV）中心电子自旋的控制和读出协议为量子计算、计量和传感提供了先进的平台。这些方案基于从NV中心发射的光子的光学读出，该过程受到光子收集的产率的限制。在这里，我们报告了一种新的原则，通过直接监测自旋保持电子跃迁，通过测量NV中心相关的光电流检测NV中心的磁共振金刚石。所展示的直接检测技术为金刚石NV传感器和金刚石芯片上的金刚石量子器件的读出提供了灵敏的方式。磁共振光电流检测（PDMR）方案是基于通过NV-中心的双光子电离促进到金刚石的导带的载流子的检测。磁共振（ODMR）和PDMR的光学检测进行了比较，通过同时进行这两种测量。在共振微波频率下测得的光电流中检测到的最小值归因于NV-基态的自旋相关的占据概率，源自自旋选择性非辐射跃迁。
2015-02-26 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci quant-ph
A highly efficient two level diamond based single photon source
本文报道了一个未经探测的金刚石缺陷中心，它在室温下以1.6MHz的测量速率发射稳定的单光子。在化学气相沉积生长的金刚石晶体中发现的新中心在734 nm处具有尖锐的零声子线，半峰全宽约为4 nm。光子统计证实了中心是一个单发射体，并为钻石中第一个真正的二能级单量子系统提供了直接证据。
2009-03-23 quant-ph
Wide range electrical tunability of single photon emission from chromium-based colour centres in diamond
我们演示了单光子发射光谱的电控制从铬基色心植入单片金刚石。在外部电场下，可调谐范围通常比辐射线宽大三个数量级，并且比观察到的线宽大至少一个数量级。发光的电场和磁场的依赖性给出了内在的对称性的迹象，我们提出的Cr-X或X-Cr-Y型非中心对称的原子配置作为这些中心的最可能的候选人。
2011-01-25 cond-mat.mes-hall quant-ph
Low temperature investigations of single silicon vacancy colour centres in diamond
我们研究了单一的硅空位（SiV）中心的化学气相沉积（CVD）纳米金刚石铱以及一个高品质的，低应力CVD金刚石薄膜中的SiV中心的系综，通过使用温度依赖发光光谱在温度范围5-295 K。我们详细研究了SiV中心的零声子线（ZPL）随温度变化的精细结构。从室温冷却到5 K时，ZPL转变受到非均匀和温度相关的均匀展宽的影响，并发生约20 cm-1的蓝移。我们采用激发功率相关的g（2）测量，探索温度依赖的内部人口动力学的单SiV中心，并推断几乎温度无关的动力学。
2013-03-04 cond-mat.mtrl-sci quant-ph
Spin dynamics in the optical cycle of single nitrogen-vacancy centres in diamond
本文研究了金刚石中单个负电荷氮空位中心的自旋相关衰变和光循环中的系间交叉。我们使用自旋控制和脉冲光激发来提取自旋分辨的激发态寿命和光诱导自旋极化的程度。通过用一系列皮秒脉冲光激发中心，我们确定了每个光学周期的自旋翻转概率，以及系统间交叉的自旋相关概率。这些信息，连同独立测量的单重态布居的衰变率提供了一个完整的描述在NV中心的光学循环的自旋动力学。单重态布居衰减速率的温度依赖性提供了光循环中所涉及的单重态数量的信息。
2010-10-06 cond-mat.other quant-ph
Long Spin Coherence and Relaxation Times in Nanodiamonds Milled from Polycrystalline $^{12}$C Diamond
研究同位素纯化多晶球磨纳米金刚石中单个NV-负中心在室温下的长自旋相干与弛豫时间，测得$T_2$达78微秒，为细胞内传感等环境应用提供基础。
2023-04-20 quant-ph
Phonon-induced dephasing of chromium colour centres in diamond
本文报道了金刚石中铬色心单光子的相干性质。我们使用场相关和光谱线形测量，以揭示慢光谱漂移和快速失相机制作为温度的函数之间的相互作用。我们发现，零声子跃迁频率和线宽遵循幂律依赖于温度，表明这些中心的主导快速退相机制是直接的电子-声子耦合和声子调制库仑耦合附近的杂质。此外，所观察到的光子发射的量子产率作为温度的函数的减少是一致的，通过热激活到更高的能量状态的额外的非辐射通道的开放占主导地位，并表示在4 K的近单位量子效率。
2012-08-28 cond-mat.mes-hall quant-ph
Proximal nitrogen reduces the fluorescence quantum yield of nitrogen-vacancy centres in diamond
金刚石中的氮空位色心是最重要的固态量子体系之一。其应用领域包括高精度传感、量子计算、单光子通信、计量学、纳米级磁成像和生物传感。对于所有这些应用，所发射的光子的高量子产率是期望的。然而，被设计成具有高密度氮空位中心的金刚石样品显示出在单个批次内或甚至在同一样品内显著变化的亮度水平。在这里，我们表明，附近的氮杂质淬火氮空位中心通过非辐射跃迁发射，导致荧光量子产率降低。我们监测的氮空位中心合奏从合成金刚石样品与不同浓度的氮杂质的发射特性。虽然在1.81 ppm的低氮密度下，我们测得的寿命为13.9 ns，但我们观察到随着氮密度的增加，寿命大幅减少。我们测量的寿命低至4.4纳秒在氮密度为380 ppm。寿命的变化分别与相对荧光量子产率从77.4%降低至32%以及氮密度从88 ppm增加至380 ppm相匹配。这些结果将告知优化基于氮空位中心荧光的金刚石晶体器件的性能所需的条件。此外，这项工作提供了深入了解钻石和纳米钻石内的高密度氮空位合奏中观察到的不均匀性的起源。
2021-12-14 cond-mat.mtrl-sci quant-ph
Modelling and experimental verification of photoelectrical response of NV diamond spin centres
Hasselt University（哈瑟尔特大学）；Czech Technical University in Prague（布拉格捷克理工大学）；IMEC（imec研究所）；Institute of Organic Chemistry and Biochemistry of the CAS（捷克科学院有机化学与生物化学研究所）
本文提出了一种用于钻石中NV色心光电响应的数学模型，通过考虑电荷载流子和缺陷的动力学，实现了对量子比特操作参数空间的优化，并通过实验验证其有效性。
2026-01-14 quant-ph
Laser writing of coherent colour centres in diamond
晶体中的光学活性点缺陷作为可以在量子信息技术中找到用途的光子系统已经获得了广泛的关注。然而，在将单个缺陷放置在所需位置（器件制造的基本要素）方面仍然存在挑战。在这里，我们报告的控制产生的单氮空位（NV）中心的金刚石激光写入。在写入光学器件中使用像差校正允许在金刚石晶体内精确定位空位，并且随后的退火在所需位置的约200 nm内产生具有高达45%成功概率的单个NV中心。通过这种方法制造的选定NV中心在低温下显示稳定的相干光学跃迁，这是创建固态量子比特分布式量子网络的先决条件。这些结果说明了激光写入作为量子技术中缺陷工程的新工具的潜力。
2016-06-16 physics.optics quant-ph
Strong Coupling Between P1 Diamond Impurity Centres and 3D Lumped Photonic Microwave Cavity
我们报道了一个独特的双柱凹腔，在金刚石中的N杂质（P1）中心和微波光子的合奏之间的强耦合。腔被设计成使得腔场的磁分量在空间上与电分量分离并且聚焦到安装金刚石样品的小体积中。该结构的新颖性同时允许高磁填充因子（38.4\%）和在低磁场下与金刚石中的过渡（例如NV $^{-}$和P1中心中的过渡）相互作用所需的低频率。耦合强度（或正常模式分裂）为51.42 MHz，实现与P1中心在6.18 GHz和220 mT的厘米级腔，与相应的协同因子为4.7。这种技术提供了一种替代的方式，具有一些显着的优点，耦合3D腔的过渡金刚石和实现应用程序所需的强耦合量子信息处理。
2014-12-16 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci quant-ph
Optical signatures of silicon-vacancy spins in diamond
金刚石中的色心已经成为固态量子技术的通用工具，从量子信息到计量学，其中氮空位中心是迄今为止研究最多的。最近，这个工具箱已经扩展到包括不同的材料，以获得纳米制造的机会，以及新的颜色中心，以实现更有效的自旋光子量子接口。其中，硅空位中心突出的超亮单光子发射主要进入理想的零声子线。利用这个中心的挑战是实现迄今为止难以捉摸的光学访问其电子自旋。在这里，我们报告自旋标记的共振荧光带负电荷的硅空位中心。在有限磁场下的低应变金刚石块体自旋选择性激发揭示了在激发态中接近1的自旋态纯度。我们还研究了应变对纳米金刚石中心的影响，并讨论了如何在激发态中保持自旋选择性。
2013-12-10 cond-mat.mes-hall quant-ph
Laser Activation of Single Group-IV Colour Centres in Diamond
针对量子网络用金刚石IV族色心的单缺陷精准定位激活难题，提出结合位点控制离子注入与原位光谱监测飞秒激光退火的两步法，实现单个SnV-中心的位点选择性创建修饰，可推广至其他宽禁带材料色心制备。
2024-09-11 cond-mat.mtrl-sci quant-ph
Optical interaction of the NV- centre in diamond with a plasmonic metal nanoparticle
我们提出了一个严格的理论模型，金刚石中的氮空位（NV）中心和等离子体金属纳米颗粒（MNP）之间的光学相互作用，伴随着一个计算效率高的程序来解决的演变。所提出的模型使我们能够成功地解释现有的光学发射测量的NV中心在存在和不存在的金属纳米粒子。我们表明，NV等离子体相互作用提供了一个多功能的新途径，以提高和控制的NV中心的光发射。可以利用MNP类型和尺寸、NV-MNP中心分离、浸没介质介电常数和NV相对于MNP表面的取向的改变来改进过多的基于NV中心的纳米器件。
2022-02-10 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci physics.optics
Nitrogen-vacancy centre formation via local femto-second laser annealing of diamond
本研究利用飞秒激光局部退火掺氮金刚石，结合光致发光与光探测磁共振表征脉冲能量、预存缺陷及停留时间的影响，发现激光可主要扩散而非产生空位，为定制NV中心提供新手段。
2025-07-24 cond-mat.mtrl-sci quant-ph
Efficient Photon Coupling from a Diamond Nitrogen Vacancy Centre by Integration with Silica Fibre
量子信息科学的中心目标是有效地将光子与单个光学模式接口，用于量子网络和分布式量子计算。在这里，我们介绍并实验证明了一种紧凑而有效的方法，用于固态量子位，金刚石中的氮空位（NV）中心与单模光纤的低损耗耦合。在这种方法中，单模锥形金刚石波导包含一个高品质的NV存储器被选择和集成在锥形石英光纤。绝热耦合器的数值优化表明，近单位效率的光子传输是可能的两个模式之间。实验上，我们发现总体收集效率在18- 40%之间，并观察到原始单光子计数率高于700 kHz。这种集成系统能够实现单模光纤与固体中的单光子发射器和量子存储器的鲁棒、无干扰和有效的接口。
2015-02-27 physics.optics quant-ph
Cavity Enhanced Spin Measurement of an NV Centre in Diamond
利用腔量子电动力学效应，提出了一种高效率、高保真度测量金刚石中单个NV中心基态自旋的方法。我们提出的方案是基于一维原子或Purcell制度，消除了需要高Q腔，是具有挑战性的制造。NV中心的基态由三个自旋能级$^{3}A_{(m=0)}$和$^{3}A_{(m=\pm1)}$组成（其中$\pm1$态在零场中接近简并）。这两种状态可以跃迁到激发态（$^{3}E$），两者之间的能量差为$\approx7-10$ $μ$ eV。通过选择正确的Q因子，两个跃迁之间的这种小失谐导致反射光强度的急剧变化。我们表明，在反射强度的变化，可以让我们读出的基态自旋使用低强度的激光与$\approx5.5\times10^{-3}$的错误率，当考虑实际的腔和实验参数。由于使用非常低水平的光来探测自旋状态，我们限制了荧光循环的数量，从而限制了通过中间单线态$^{1}A$的非自旋保持跃迁。
2008-07-01 quant-ph
Cooling the Motion of Diamond Nanocrystals in a Magneto-Gravitational Trap in High Vacuum
高真空中含氮空位的金刚石纳米晶体是一种独特的实验系统，可用于基础量子力学的实验，包括大量子叠加态的产生和量子引力的测试。该系统承诺与其环境极端隔离，同时通过NV中心自旋提供量子控制和传感。虽然光学捕获已经是最探索的悬浮方法，但最近的结果表明，真空下纳米金刚石的过度光学加热可能使该方法对于目前可用的材料不切实际。在这里，我们研究了另一种磁引力陷阱的抗磁性粒子，如金刚石纳米晶体，从大气压到高真空稳定悬浮。来自永磁体的磁场梯度将粒子限制在二维中，而第三维中的限制是重力的。我们证明，反馈冷却的质量中心运动的一个被困的纳米金刚石簇的结果在冷却的一个自由度小于1 K。
2016-05-01 quant-ph
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
Hot ion implantation to create dense NV centre ensembles in diamond
针对金刚石离子注入制备NV中心产率低、高注量易损伤晶格的问题，提出高温N₂离子注入方法，提升发光强度且避免高注量石墨化，为高性能量子传感用金刚石薄膜优化提供新路径。
2023-11-09 physics.app-ph quant-ph
Amplification by stimulated emission of nitrogen vacancy centres in a diamond-loaded fibre cavity
Macquarie University（麦考瑞大学）；Fraunhofer Institut für Angewandte Festkörperphysik (IAF)（弗劳恩霍夫应用固体物理研究所）；National Institutes for Quantum and Radiological Science and Technology（量子科学技术研究机构）；University of Tokyo（东京大学）；RMIT University（皇家墨尔本理工大学）
本文实验研究了金刚石填充光纤腔中NV-中心的受激发射放大，验证了其作为实现NV-激光器增益介质的可行性，为室温高灵敏磁强计的发展提供了关键依据。
2026-09-22 cond-mat.mes-hall physics.ins-det quant-ph
Microelectronic readout of a diamond quantum sensor
针对金刚石NV中心量子传感器小型化中发光检测受限的问题，研究采用CMOS器件实现NV系综PDMR，达到50飞安低噪声数字化读出，适用于多模式量子传感，补上了紧凑型金刚石量子传感器的关键组件。
2024-03-06 quant-ph
Analytic solutions to the central spin problem for Nitrogen Vacancy centres in diamond
由于对基于固态的量子计算体系结构和量子力学系统在纳米磁学中的应用的兴趣，最近已经有相当多的注意力集中在理解固态自旋浴的微观动力学及其对可控耦合中心电子自旋的相干性的影响上。许多分析方法都是基于简化的唯象模型，其中很难捕捉到与该系统相关的许多复杂物理。相反，数值方法再现了这种复杂的行为，但它们所能提供的理论洞察力有限。使用一个系统的方法的基础上的空间统计的自旋浴成分，我们开发了一个纯粹的分析理论的中心自旋退相干问题的氮空位中心的金刚石，再现文献中发现的实验和数值计算结果，同时纠正了一些限制和不准确与现有的分析方法。
2013-09-19 cond-mat.mes-hall quant-ph
Spectroscopic Investigations of Negatively Charged Tin-Vacancy Centres in Diamond
最近在金刚石中发现的带负电荷的锡空位中心在量子信息处理（QIP）中具有很好的应用前景。我们在这里提出了一个详细的光谱研究，包括单光子发射和偏振特性，发射光谱的温度依赖性以及声子边带和Debye-Waller因子的详细分析。利用光致发光激发光谱（PLE），我们探测了一个能量较高的激发态，并证明了在低温下的单发射体的完全寿命有限的线宽。对于这些发射器，我们还调查了共振激发下的电荷态的稳定性。这些结果提供了一个详细的洞察光谱特性的$\text{SnV}^-$中心，并奠定了基础，为进一步研究其在QIP的适用性。
2020-02-11 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci quant-ph
Magnetic-field-learning using a single electronic spin in diamond with one-photon-readout at room temperature
金刚石中的氮空位（NV）中心是具有吸引力的纳米级量子传感器，用于温度、应变、电场，尤其是磁场。然而，低噪声单次读出所需的低温温度使得迄今为止报道的最灵敏的NV磁力测量成为可能，对于关键应用（例如生物传感）是不切实际的。到目前为止，克服室温下的噪声读出需要重复收集荧光光子，这增加了该过程的时间成本，从而降低了其灵敏度。在这里，我们展示了机器学习如何在室温下处理单个NV中心的噪声读出，每个算法步骤平均只需要一个光子，以与低温实验报告的精度相当的精度感测磁场强度。分析大数据集从NV中心在散装金刚石，我们报告的绝对灵敏度$60$ nT的$^{1/2}$，包括初始化，读出，和计算开销。我们发现，退相时间可以同时估计，并随时间变化的字段可以在室温下动态跟踪。我们的研究结果大大提高了早期单自旋传感器的实用性。
2018-07-25 quant-ph
Coherence properties of a single dipole emitter in diamond
按需、高重复率的不可区分的偏振单光子源是未来光子量子技术的关键组成部分。钻石中的色心提供了一个很有前途的解决方案，最近发现的镍基NE8中心的窄线宽使其对于实现量子干涉所需的变换限制源特别有吸引力。在这里，我们报告的偶极取向和相干特性的一个单一的NE8色心在室温下的金刚石晶体的表征。我们观察到的单光子相干时间为0.21 ps和1.5 ns的发射寿命。结合非常适合现有量子光学系统应用的发射波长，这些结果表明，NE8是一个比更常见的研究氮空位中心更有前途的光源，并为实现实用的基于金刚石色心的单光子源指明了方向。
2010-09-12 cond-mat.other physics.optics 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
Hybrid sensors based on colour centres in diamond and piezoactive layers
利用纳米器件和高空间分辨率测量压力、力、电场和温度等微弱信号的能力在基础科学和应用科学中提供了广泛的应用。在这里，我们提出了一个建议的混合装置组成的薄膜层的金刚石植入的色心和压电活性元件的各种物理信号的转换和测量。压磁层对外加应力或由电场和温度变化引起的应力的磁响应对金刚石中氮空位中心的自旋性质有显著影响。在环境条件下，现实的环境噪声和材料缺陷，我们详细的数值研究表明，这种混合装置可以实现显着改善的灵敏度与纳米级空间分辨率相结合的纯金刚石为基础的方法。除了在量子传感中的应用之外，所提出的混合架构为纳米机械振荡器和固态自旋量子比特之间的工程强相干耦合提供了新的可能性。
2017-10-30 cond-mat.mes-hall quant-ph
Electron-phonon processes of the silicon-vacancy centre in diamond
研究了金刚石中带负电荷的硅空位（$\mathrm{SiV}^-$）中心的基态和激发态的声子诱导电子动力学。测量了4-350 K温度范围内的光学跃迁线宽、跃迁波长和激发态寿命。利用时间分辨荧光技术测量了它们的基态轨道弛豫速率。建立了$\mathrm{SiV}^-$中心激发态和基态热展宽的微观模型。一个涉及单声子跃迁的振动过程被发现，以确定在低温下的基态和激发态的轨道弛豫率。我们讨论了我们的研究结果在基态量子位态的相干性的影响，并提出了方法来延长相干时间的$\mathrm{SiV}^-$量子位。
2014-11-11 cond-mat.mtrl-sci physics.optics quant-ph
Non-Hermitian non-Abelian topological transition in the S=1 electron spin system of a nitrogen vacancy centre in diamond
本研究利用金刚石氮空位中心在原子尺度观测到非厄米非阿贝尔拓扑相变，通过复本征值辫测量表征该相变，发现二阶例外点碰撞产生三阶例外点，为操控光谱拓扑提供新思路。
2025-03-22 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
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
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
On the creation of near-surface nitrogen-vacancy centre ensembles by implantation of type Ib diamond
研究评估向富氮 Ib 型金刚石注入电子给体以制备近表面 NV 中心系综，发现其相对纯金刚石注氮优势有限，并指出退火时表面终端控制是高产率的关键。
2022-10-29 cond-mat.other quant-ph
Level anti-crossings of an NV center in diamond: Decoherence-free subspaces and 3D sensors of microwave magnetic fields
金刚石中的氮空位（NV）中心已成为量子技术的重要工具。所有这些应用都依赖于与这些中心相关的电子和核自旋的长相干时间。本文研究了在静态小磁场中金刚石中NV中心与第一壳层13 C核自旋耦合的能级反交叉。由于哈密顿量的强非长期分量，这些水平反交叉发生在静态磁场的特定方向上。在这些取向上，我们观察到了无退相干子空间，其中电子自旋相干时间（T_2 ~*）比其它取向上的长5-7倍。另一个有趣的性质，在这些水平的反交叉是，个别跃迁振幅占主导地位的磁偶极矩的一个单一的组成部分。因此，这可以用于具有单个NV中心的微波磁场的矢量检测。这对于使用数字最优控制技术精确控制中心尤其重要。
2019-08-21 quant-ph
Quantum measurement of a rapidly rotating spin qubit in diamond
旋转坐标系中的受控量子位为探索基本量子物理学（例如物理旋转坐标系中的几何相位）提供了新的机会，并且可以潜在地增强对磁场的检测。实现一个可以在物理旋转过程中测量和控制的单个量子比特在实验上具有挑战性。在这项工作中，我们证明了量子控制的一个单一的氮空位（NV）中心内的钻石旋转200，000转，旋转周期相当于NV自旋相干时间$T_2$。我们频闪图像的个人NV中心，执行快速圆周运动，除了旋转，并演示准备，控制和读出的量子位量子态与激光和微波。使用自旋回波干涉的旋转量子比特，我们能够检测调制的NV塞曼位移所产生的旋转NV轴和外部直流磁场。我们的工作在物理旋转框架中建立了钻石中的单个NV量子位作为量子传感器，并为实现基于钻石的单量子位旋转传感器铺平了道路。
2018-02-10 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
Fabrication of oriented NV center arrays in diamond via femtosecond laser writing and reorientation
针对飞秒激光写入金刚石NV⁻中心取向随机限制传感性能的问题，提出飞秒激光退火全光学重定向方法，在两类金刚石衬底上实现取向一致的有序NV⁻阵列，支撑高性能可扩展量子器件制备。
2025-07-18 quant-ph
Vector detection of AC magnetic fields by Nitrogen-Vacancy centers of single orientation in diamond
Department of Physics, Bennett University（贝内特大学物理系）；Department of Physics, IIT Jodhpur（焦浦理工学院物理系）；Department of Physics, IIT Madras（马德拉斯理工学院物理系）；Center For Quantum Information, Communication And Computing, IIT Madras（马德拉斯理工学院量子信息、通信与计算中心）；Fakultät Physik, Technische Universität Dortmund（多特蒙德工业大学物理学院）
利用单方向氮空位中心检测交流磁场的矢量信息，通过磁场混合实现高灵敏度测量。
2023-08-18 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
Perfect alignment and preferential orientation of nitrogen-vacancy centers during CVD growth of diamond on (111) surfaces
人造金刚石的生产是发展金刚石量子精密测量和量子信息应用的关键。金刚石中主要的量子传感器和量子比特候选者是氮空位（NV）色心。这种晶格缺陷以四种不同的晶体学取向出现，导致NV中心之间的内在不均匀性，这在某些应用中是不期望的。在这里，我们报告了一种微波等离子体辅助化学气相分解（MPCVD）金刚石生长技术（111）取向的衬底上，产生完美的对齐（$94\pm2%$）生长的NV中心沿一个单一的晶体方向。此外，明确的证据表明，大部分（$74\pm4%$）的取向NV中心形成的氮首先被包括在（111）生长表面，然后由相邻的空位上的形成。生长的NV中心的实现的均匀性将极大地有益于量子信息和计量应用。
2014-02-11 cond-mat.mes-hall quant-ph
Three-dimensional quantum photonic elements based on single nitrogen vacancy-centres in laser-written microstructures
完全集成的量子光学技术需要将有源量子系统并入谐振光学微结构中，并通过光子线在三维空间中互连。金刚石中的氮空位中心（NV-中心）是光稳定性优异的室温单光子发射体，是实现这一目的的理想候选者。广泛的研究努力，以耦合NV中心的光子结构，如光学微谐振器，微腔，和波导已被追求。集成的策略范围从自上而下的制造，通过蚀刻金刚石膜复杂的自下而上的组装的混合结构，使用金刚石纳米晶体，后者的方法允许确定性耦合。最近，已经引入了另一种基于经由熔融工艺将纳米金刚石并入软玻璃光纤中的方法。在这里，我们利用双光子直接激光写入（DLW）制造全三维（3D）结构的光致抗蚀剂与含有NV中心的纳米金刚石溶液混合。这是第一次，这种方法有助于构建几乎任意形状的集成3D量子光子元件。
2013-01-10 physics.optics quant-ph
Electroluminescence from a diamond device with ion-beam-micromachined buried graphitic electrodes
聚焦兆电子伏离子微束是合适的工具，用于直接写入的导电石墨通道埋在绝缘金刚石块，如在以前的工作与制造的多电极电离辐射探测器和细胞生物传感器。在这项工作中，我们调查的适用性的制造方法的电激发的色心在金刚石。与光致发光不同的是，电致发光需要电流流过金刚石子带隙态以激发色心。为此目的，埋石墨电极的间距为10微米，制作在探测器级的CVD单晶金刚石样品的大部分使用扫描1.8 MeV的He微束。在施加250 V偏置电压时在电极之间的间隙区域中流动的电流被用作用于定位在上述间隙中的不同类型的色心的电致发光的激发泵。使用共聚焦光学显微镜装置在空间上映射明亮的光发射。电致发光的光谱分析揭示了来自中性电荷的氮空位中心（$NV^0$，$λ_{ZPL}$ = 575 nm）以及来自簇晶体位错（A带，λ = 400-500 nm）的发射。此外，检测到来自He相关缺陷的具有吸引人的光谱特征（室温下的尖锐发射，低声子边带）的电致发光信号（$λ_{ZPL}$ = 536.3 nm，$λ_{ZPL}$ = 560.5 nm）;还观察到λ = 740 nm附近的低而宽的峰，并暂时归因于Si-V或GR 1中心。这些结果提出了有趣的未来前景的电刺激单光子发射器在金刚石量子光学和量子密码学的应用。
2014-07-29 cond-mat.mtrl-sci quant-ph
Evaluation of nitrogen- and silicon-vacancy defect centres as single photon sources in quantum key distribution
本文提出了一种基于金刚石缺陷中心的室温单光子源量子密钥分发（QKD）实验平台。在短自由空间传输线上实现了BB84协议。氮空位（NV）以及硅空位缺陷（SiV）中心的性能进行了评估，并讨论了下一代源的外推与提高效率。
2013-10-04 quant-ph
Bias-field-free operation of nitrogen-vacancy ensembles in diamond for accurate vector magnetometry
针对NV系综矢量磁强计依赖偏置磁场引入漂移误差的问题，提出利用可变脉宽Ramsey序列中微波场方向标记NV取向的无偏置场方法，经模拟和原理实验验证可实现亚nT精度测量，为高精度长时磁测任务奠定基础。
2025-10-22 quant-ph
Coupling nitrogen-vacancy centre spins in diamond to a grape dimer
该研究利用ODMR将纳米金刚石NV自旋与葡萄二聚体的微波磁场热点耦合，实验实现两倍以上对比度增强，并通过有限元建模验证热点形成机制。
2023-11-07 quant-ph
Coherent control of the silicon-vacancy spin in diamond
金刚石中的自旋杂质已经成为广泛的基于固态的量子技术中有前途的构建块。带负电荷的硅空位中心结合了其高质量光子特性与基态电子自旋的优势，可以通过光学方式读出。然而，要使这种自旋作为量子比特进行操作，完全的量子控制是必不可少的。在这里，我们报告的测量光学检测磁共振和示范的相干控制的一个单一的硅空位中心自旋与微波场。利用Ramsey干涉法，我们直接测量了3.6K下的自旋相干时间T2*，为115 +/- 9 ns。相干时间的温度依赖性表明，退相和衰变的自旋引起的基态的轨道分支之间的单声子介导的激发。我们的结果使硅空位中心自旋成为一个可控的资源，建立自旋光子量子界面。
2017-01-24 cond-mat.mes-hall quant-ph
On Chip Manipulation of Single Photons from a Diamond Defect
利用单光子源实现可重构量子线路是光子量子信息科学与技术的一个重要目标。我们使用一个集成的波导器件，包括定向耦合器和一个可重构的热相位控制器来操纵从钻石中的铬相关的色心发射的单光子。波状干涉图样和粒子状亚泊松自相关函数的观测表明了从铬相关中心发射的单光子的相干操纵，并验证了波粒二象性。
2013-04-19 physics.optics 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
