Broadband light extraction from near-surface NV centers using crystalline-silicon antennas
针对金刚石近表面NV色心光提取效率低的问题，提出在金刚石表面制备易图案化的高折射率晶体硅天线的方法，模拟获约17倍、实验获约9倍单光子收集增强，且无金刚石表面损伤，可推广至其他色心及宽带隙材料量子发射器。
2025-02-10 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci physics.app-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
A cavity-based optical antenna for color centers in diamond
有效的原子-光子界面是将诸如金刚石色心的固态发射体集成到量子技术应用中的关键要求。然而，就像其他固态发射器一样，由于主体晶体的高折射率，它们向自由空间的发射受到严重限制。在这项工作中，我们提出了一个平面光学天线的基础上，两个银镜涂在一个薄的单晶金刚石膜，形成一个平面法布里-珀罗腔，提高了光子提取从单个锡空位（SnV）中心，以及他们的耦合到激发激光。在数值优化的结构，我们发现理论上的增强可收集的光子率的一个因素为60相比，散装的情况下。作为一个证明的原理演示，我们制造的单晶金刚石膜与子$μ$ m的厚度和创建SnV中心的离子注入。采用非共振激发，我们显示了6倍的可收集的光子率增强，产生高达50万光子每秒从一个单一的SnV中心。与此同时，我们观察到根据理论所需的激发功率的显着降低，证明了腔作为光学天线的功能。由于其平面设计，天线同时为膜内的大量发射器提供类似的增强。此外，单片结构提供了高机械稳定性，并且直接使得能够在大多数自旋光子接口实现中所需的低温条件下操作。
2021-05-21 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci physics.optics
Detection of incoherent broadband terahertz light using antenna-coupled high-electron-mobility field-effect transistors
基于太赫兹电磁波在场效应晶体管中自混合的直接太赫兹探测器的灵敏度正在提高，其噪声等效功率接近肖特基势垒二极管探测器的噪声等效功率。在这里，我们报告这样的探测器基于AlGaN/GAN二维电子气在77~K能够感测宽带和非相干太赫兹辐射。测量的光电流作为门电压的函数与自混合模型吻合得很好，光谱响应主要由天线决定。傅里叶变换光谱仪配备有为340、650和900 GHz频带设计的探测器，允许在0.1至2.0 THz的频率范围内进行太赫兹光谱学。该探测器在77 K时的光学灵敏度约为$1~\mathrm{pW/\sqrt{Hz}}$，与4.2 K时的商用硅测辐射热计相当。通过进一步提高灵敏度，室温探测器将在主动/被动太赫兹成像和太赫兹光谱学中找到应用。
2017-03-09 cond-mat.mes-hall
Inverse Design of Broadband Antennas for Terahertz Devices Based on 2D Materials
本文提出基于程序化生成算法的太赫兹宽带天线逆向设计方法，可定制阻抗、带宽和接触拓扑，相比传统蝶形天线功率传输效率提升最高40%，并通过高保真电磁仿真验证。
2025-05-10 cond-mat.mes-hall physics.app-ph
Magnetometry with Broadband Microwave Fields in Nitrogen-Vacancy Centers in Diamond
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）
提出利用宽带微波场同时探测金刚石NV中心所有磁敏感态，结合最大似然估计和神经网络分析透射微波时域信号，实现约10 pT/√Hz的直流磁场灵敏度，无需偏置磁场且支持矢量检测。
2026-06-02 cond-mat.mes-hall physics.atom-ph quant-ph
Photoluminescence-driven Broadband Transmitting Directional Optical Nanoantennas
光学纳米天线介导近和远光场。在发射模式下操作定向纳米天线具有挑战性，因为天线需要由纳米尺寸的光频发生器驱动，在天线谐振频率下工作，并以正确的方向精确地连接到天线馈电。量子发射器已被用作光学纳米发电机。然而，它们相对于纳米天线的精确定位是实际实施的技术障碍。驱动纳米天线的一个独特来源是天线材料的光致发光，因为操作频率范围对应于物质中的电子跃迁。在这里，我们利用等离子体激元调制光致发光（PMPL）作为一种有效的光源来驱动定向纳米天线。我们实验实现了两个技术上具有挑战性的理论建议，即基于八木宇田纳米天线的光学纳米光谱仪和对数周期纳米天线的可调谐宽带定向发射。使用纳米天线的光致发光作为光源促进了发射光学纳米天线的实际实现。
2018-06-17 cond-mat.mes-hall
Broadband Excitation by Chirped Pulses: Application to Single Electron Spins in Diamond
如果使用单色脉冲，则宽光谱的脉冲激发需要非常高的场强。如果相应的高功率不可用或不期望，则脉冲可以由在更宽的带宽上分配功率的合适的低功率脉冲代替。作为一个简单的情况，我们使用具有线性频率啁啾的微波脉冲。我们使用这些脉冲激发光谱的单NV中心的拉姆齐实验。与传统的Ramsey实验相比，我们的方法至少增加了一个数量级的带宽。与传统的ODMR实验相比，啁啾Ramsey实验不受功率展宽的影响，并将分辨率提高了至少一个数量级。作为一个额外的好处，啁啾拉姆齐频谱不仅包含“允许的”单量子跃迁，而且还包含“禁止的”零和双量子跃迁，这可以通过相对于激励脉冲相移读出脉冲或通过外部磁场强度的变化来与单量子跃迁区分开。
2013-01-14 cond-mat.mes-hall quant-ph
Spectral tunability of a plasmonic antenna with a dielectric nanocrystal
我们表明，纳米长度尺度的电介质对象，如金刚石纳米管，在附近的金领结纳米天线的定位可以用来调谐等离子体激元模谱的线宽的顺序。我们进一步表明，在纳米级粗糙度的存在下，金的本征发光增强有效地耦合到等离子体激元模式，并进行相同的偏振各向异性。我们的研究结果有直接的影响腔量子电动力学相关的应用混合天线发射复合物。
2011-05-20 cond-mat.mes-hall physics.optics
Imaging of microwave field distribution over a non-fed gold pattern by using NV centers in diamond
金刚石中的氮空位中心已被广泛用作量子信息、磁学和微波场成像的平台。驱动NV中心的电子自旋所需的MW场的高精度空间控制对于这些应用是必不可少的。在这里，我们报告了一个控制MW场分布的钻石表面附近的微米级的金图案的激发。由平面环形MW天线激发的金图案充当接收天线并在局部区域中重新分布MW场，而无需直接馈送电流。平面环形微波天线在金刚石衬底上产生了一个面积为0.785 mm $^{2}$的均匀微波场，为检测微波变化提供了一个有用的工具。我们通过直接观察电子自旋拉比振荡对微米级金图案上的局部MW强度进行了成像，也显示了NV中心在MW场成像和MW器件表征中的潜在应用。我们实现了增强约19倍的Rabi频率在几微米的尺度上的黄金图案，相比，在存在的单个平面环MW天线的散装Rabi频率。与以前的方法相比，我们的方法已被证明是一个快速和简单的工具，在金刚石中的MW场的空间控制和NV中心的自旋操纵。
2018-12-07 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci 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
Single Defect Centers in Diamond Nanocrystals as Quantum Probes for Plasmonic Nanostructures
我们提出了两个应用程序的一个单一的氮空位中心的纳米金刚石作为量子探针的等离子体纳米结构。通过用原子力显微镜拾取预先表征的纳米颗粒并将其放置在所需位置，以高度受控的方式实现与纳米结构的耦合。本地发射到纳米线的空间控制几个纳米的单激发演示。此外，一个等离子体领结天线的电磁环境的二维地图推导出来，类似于荧光寿命纳米极限。
2011-03-10 cond-mat.mes-hall physics.optics
Simultaneous Broadband Vector Magnetometry Using Solid-State Spins
我们展示了一个矢量磁强计，同时测量所有的动态磁场的笛卡尔分量使用的氮空位（NV）中心在单晶金刚石的合奏。光学NV-diamond测量在环境或极端物理条件下提供高灵敏度、宽带的磁力测量;这种固态系统固有的固定晶轴使矢量传感免于航向误差。在本装置中，多通道锁定检测从在单个检测器上测量的光信号中提取沿着所有四个四面体金刚石轴取向的NV的磁场依赖性自旋共振位移。该传感器从近直流工作到$12.5$ kHz测量带宽，同时实现$\sim\!50$ pT/ $\sqrt{\text{Hz}}$磁场灵敏度为每个笛卡尔分量，这是迄今为止采用固态自旋的全矢量磁力计的最高灵敏度。与顺序询问四个NV方向的优化设备相比，同步矢量磁力计实现了$4\times$测量加速。这种技术可以扩展到脉冲型传感协议和并行宽场磁成像。
2018-03-26 cond-mat.mes-hall physics.app-ph physics.ins-det
Power sensitivity of broadband radiofrequency detectors based on quantum diamond spins
RMIT University（皇家墨尔本理工大学）；Phasor Quantum Pty Ltd（Phasor量子有限公司）；The University of Melbourne（墨尔本大学）
本文研究了基于量子钻石自旋的射频探测器的功率灵敏度，推导了不同噪声条件下斜率检测和方差检测协议的灵敏度标度定律，并发现灵敏度与RF-自旋接口特征物理尺寸成反比。
2026-05-14 cond-mat.mes-hall quant-ph
Ultrafast graphene-based broadband THz detector
我们提出了一种超快石墨烯基探测器，在太赫兹范围内，在室温下工作。一个介电周期天线耦合到石墨烯片，这是通过剥离SiO2。检测器的特征在于与自由电子激光FELBE的波长从8微米到220微米。在30 ~ 220 μ m波长范围内，探测器的上升时间为50 ps。利用高强度下的非线性光电流响应的自相关测量揭示了低于10 ps的固有响应时间。该检测器具有很高的潜力，用于表征时间重叠，例如。G.在双色泵浦探测实验中。
2013-05-23 cond-mat.mes-hall physics.optics
Hybrid photonic crystal cavity and waveguide for coupling to diamond NV-centers
提出了一种超高Q值光子晶体纳米腔的设计，该腔可与单晶金刚石样品表面附近的氮空位（NV）中心相互作用。该结构基于纳米线光子晶体几何形状，并且由图案化的高折射率膜（诸如由金刚石衬底支撑的磷化镓（GaP））组成。该纳米腔支持品质因数Q > 150万且模体积V < 0.52（λ/n_ \text{GaP}）^[3]的模，并有望使珀塞尔增强对位于金刚石表面以下50 nm以上的NV的自发发射的收集。纳米线光子晶体波导可用于有效地将光耦合进腔和耦合出腔，或者作为NV声子边带发射的有效宽带收集器。所提出的结构可以使用现有的材料和加工技术制造。
2009-05-22 cond-mat.mes-hall physics.optics quant-ph
Visible-frequency metasurfaces for broadband anomalous reflection and high-efficiency spectrum splitting
超薄超颖表面最近已成为有前途的材料，使新颖的，平面的光学元件和表面限制，微型光子器件。然而，由于高等离子体激元损耗和高均匀性纳米纤维的困难，在可见频率下实验实现高性能超颖表面一直是一个重大挑战。在这里，我们提出了一种高效而简单的元表面设计，包括单个梯度天线作为单元格。我们展示了可见宽带（450 - 850 nm）的异常反射和光谱分裂与85%的转换效率。异常反射与最强衍射的平均功率比计算为~ 103，测量为~ 10。异常反射光子和光谱分裂性能已经可视化使用CCD和特征使用角分辨测量装置。这里提出的超表面设计与利用多个各向异性谐振器的常规超表面明显不同，并且可以实现用于实现定向发射器的高效率宽带超表面、用于光谱学和光电学的偏振/光谱分离表面。
2014-10-28 cond-mat.mes-hall physics.optics
Nanoscale fluorescence lifetime imaging with a single diamond NV center
固态量子发射体，例如人工工程量子点或固体中天然存在的缺陷，正在被研究用于从量子信息科学和光电子学到生物医学成像的应用。最近，这些相同的系统也从纳米计量学的角度进行了研究。在这封信中，我们研究的近场光学性质的金刚石晶体托管一个单一的氮空位中心。我们发现氮空位中心是周围电磁模式结构的灵敏探针。我们利用这种敏感性，以证明纳米级荧光寿命成像显微镜（FLIM）与一个单一的氮空位中心成像的光学天线的局部态密度。
2013-03-05 cond-mat.mes-hall physics.optics quant-ph
Nanoscale microwave imaging with a single electron spin in diamond
我们报告的微波（MW）磁场成像使用磁力计的基础上，在金刚石中的氮空位中心的电子自旋。我们定量图像的磁场产生的高频（GHz）MW电流与纳米级分辨率使用扫描探针技术。我们证明了MW磁场的灵敏度在几个nT/ $\sqrt{\text{Hz}}$，极化选择和宽带能力的范围内，在环境条件下，从而建立了氮空位中心的多功能和高性能的工具，用于检测MW领域。作为这种扫描MW探测器的第一个应用，我们确定了带状线中的MW电流密度，并证明了几个nA/ $\sqrt{\text{Hz}}$的MW电流灵敏度
2015-11-13 cond-mat.mes-hall
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
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
Electrical spectroscopy of forward volume spin waves in perpendicularly magnetized materials
我们研究了全电感应技术在前向体自旋波光谱研究中的应用潜力。我们开发了一个一维模型来解释电感天线之间的自旋波反射和传输的电签名，并在垂直磁化的Co/Ni多层膜上进行了实验验证。我们描述的天线的几何形状和天线到天线的分离，以及材料参数的感应信号的线形的影响。对于有限阻尼，在波矢量空间中的天线发射的宽带特性迫使考虑到磁化波在其空间传播时的增长的退相干。传输信号可以被看作是由两个贡献产生的：第一个来自传播自旋波，导致宽带传输系数的振荡相位，另一个来自铁磁共振的远距离感应，因为现实天线的远距离杂散场。取决于这两个贡献的相对重要性，传输信号随传播距离的衰减可能不是指数的，并且传播时自旋波相位的振荡特性可能被隐藏。我们的模型及其实验验证允许定义几何和材料规格，以满足使使用前向体自旋波作为有效的信息载体。
2020-01-30 cond-mat.mes-hall
All electrical propagating spin wave spectroscopy with broadband wavevector capability
我们发展了一个全电性实验，以实现微米尺度薄磁条中自旋波传播的宽带相位分辨光谱。静磁表面自旋波的激发和检测缩小到125纳米宽的感应天线，奖励超宽带wavevector能力。波矢量选择可以通过施加高于铁磁共振的激励频率来完成。由于传播时自旋波相位的旋转，在自旋波检测器处完成波矢量解复用。一个简单的模型占的主要特点的装置传递函数。我们的方法开辟了一条途径，全电研究波矢相关的自旋波的性质，包括色散谱或非互易传播。
2016-02-26 cond-mat.mes-hall cond-mat.other
Magnetic domain walls as broadband spin wave and elastic magnetisation wave emitters
报道了在铁磁薄膜中直接观测到磁畴壁的自旋波和弹性波发射。在交变均匀磁场的驱动下，磁畴壁充当相干磁化波源。在铁磁共振以下和以上的方向和低阻尼弹性波被激发。磁致弹性诱导声剪切波的波矢通过改变激励频率而线性调谐。畴壁发射的静磁表面自旋波发生在更高的频率，微磁学模拟证实了这一特性。微磁性物体的磁化波激发的不同模式是与结构化磁性薄膜中的动态磁化过程相关的一般物理现象。磁畴壁可以用作可重构天线，用于通过控制波取向来产生自旋波和弹性波。
2018-06-07 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
Efficient Identifying the Orientation of Single NV Centers in Diamond and Using them to Detect Near Field Microwave
金刚石中的NV中心阵列在芯片级量子信息处理和纳米级量子传感领域具有潜在的应用价值。然而，逐个确定它们的取向是资源密集型和耗时的。本文将共聚焦荧光扫描图像与光学检测磁共振技术相结合，实现了一种实用、高效的同向单个NV中心的识别方法。在原理实验的证明中，在NV中心阵列中识别出具有相同取向的五个单个NV中心。然后，利用这5个单NV中心测量了直径为20 μ m的铜天线在不同微波源功率下的荧光强度变化和拉比频率。本文利用NV心阵列可以分辨亚微米尺度的近场微波梯度。本工作促进了利用NV中心阵列的量子传感。
2019-12-17 cond-mat.mes-hall physics.app-ph quant-ph
Reconfigurable Spin-Wave Properties in Two-Dimensional Magnonic Crystals Formed of Diamond and Triangular Shaped Nanomagnets
本研究通过宽带铁磁共振光谱对比菱形与三角形二维纳米磁点结构的可重构自旋波特性，揭示了形状、偏置场参数及反演对称性对自旋波动力学的关键影响，为磁振子器件的结构设计与参数调控提供了实验依据。
2024-07-12 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
