Anti-Stokes excitation of solid-state quantum emitters for nanoscale thermometry
固体中的色心是激光器、发光二极管和传感器等众多应用的基本组成部分，也是先进量子信息和通信技术的基础。它们的光致发光特性通常在斯托克斯激发下研究，其中发射的光子处于比激发光子低的能量。在这项工作中，我们探索相反的反斯托克斯过程，其中激发是用较低能量的光子进行的。我们报告说，这个过程是足够有效的激发甚至一个单一的量子系统，即锗空位中心的钻石。因此，我们利用温度依赖性，声子辅助机制，实现一个全光学纳米测温计划，优于任何同源光学方法采用的日期。我们的研究结果为探索孤立量子系统中的基本光-物质相互作用提供了一种有前途的方法，并将其用于实现实用的纳米温度测量和传感。
2018-10-11 physics.app-ph physics.optics quant-ph
Self-protected nanoscale thermometry based on spin defects in silicon carbide
基于固体电子自旋的量子传感器由于其纳米级的空间分辨率而引起了人们的广泛兴趣。抑制固体自旋传感器的环境噪声是一个关键的要求。本文介绍了一种基于碳化硅（SiC）电子自旋的纳米级温度计。实验证明，由于自保护机制，自旋传感器的性能对失相具有鲁棒性。SiC温度测量可以提供用于在噪声环境中进行感测（例如，生物系统感测）的有前景的平台。
2017-04-11 physics.optics quant-ph
The effect of spin-lattice relaxation on multiple-quantum NMR coherences in solids
本文发展了低温下双偶极耦合自旋系统中多重量子相干性的自旋-晶格弛豫唯象理论。得到了多量子NMR相干强度随自旋-晶格弛豫时间的变化规律。结果表明，当采用近邻相互作用近似时，该理论也适用于有限自旋链。应用这一理论估计退相干过程对量子纠缠及其涨落的影响作了简要的讨论。
2011-10-05 quant-ph
Collective many-body dynamics in a solid-state quantum sensor controlled through nanoscale magnetic gradients
Harvard University（哈佛大学）；University of California, Santa Barbara（加州大学圣塔芭芭拉分校）
本研究针对致密固态电子自旋系综中缺陷与位置无序阻碍相干关联行为的问题，结合时变磁梯度与金刚石自旋系综全局相干控制，借助哈密顿量工程实现抗无序的集体多体动力学，为量子计量和纳米成像提供新途径。
2025-10-29 cond-mat.dis-nn quant-ph
Nuclear spin relaxation in solid state defect quantum bits via electron-phonon coupling in their optical excited state
HUN-REN Wigner Research Centre for Physics（匈牙利科学院维格纳物理研究中心）；Budapest University of Technology and Economics（布达佩斯科技大学）；MTA-WFK Lendület “Momentum” Semiconductor Nanostructures Research Group（匈牙利科学院-布达佩斯技术大学伦戴莱特“动量”半导体纳米结构研究组）
本研究通过结合群论和密度泛函理论，揭示了固态缺陷量子比特中核自旋弛豫的电子-声子耦合机制，并提出了一种预测轨道依赖性自旋哈密顿量的从头计算方案。
2025-09-08 quant-ph
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 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
Nanoscale positioning approaches for integrating single epitaxial quantum emitters with photonic nanostructures
确定性地集成单个固态量子发射器与光子纳米结构作为光子量子技术背景下的关键使能资源。由于许多广泛使用的固态量子发射体的随机空间位置，在过去十年中已经探索了许多用于在纳米纤维化之前定位量子发射体的定位方法。在这里，我们回顾了几种纳米定位方法的工作原理和在这一领域的最新进展，包括原子力显微镜，扫描电子显微镜，共聚焦显微镜与\textit{in situ}光刻，和宽场荧光成像技术。介绍了一系列具有代表性的高性能器件演示，包括高质量的单光子源、明亮的纠缠光子对、强耦合腔QED系统和其他新兴应用。讨论了将定位技术应用于不同材料系统的挑战以及使用这些方法实现大规模量子光子器件的机会。
2021-05-13 physics.optics quant-ph
Nuclear Spin Relaxation of Very Dilute 3He impurities in Solid 4He
我们报告测量的核自旋-晶格和自旋-自旋弛豫时间的非常稀的3 He在固体4 He中的温度范围为0.01 \leq T \leq 0.5 K的密度已观察到异常的扭转振子和剪切模量测量。我们比较的结果与其他观察员报告的弛豫时间的值为更高的浓度和Landesman的理论，考虑到4 He晶格的弹性性质。与经典的Landesman理论相比，在接近观察到扭转和剪切模量异常的温度处观察到核自旋-晶格弛豫时间的幅度急剧增加。NMR结果表明，3 He杂质在原子尺度弹性畸变中的隧穿受到引起宏观弹性耗散异常的相同过程的影响。
2012-04-20 cond-mat.other quant-ph
Relaxation operator for quasiparticles in a solid
在开放凝聚态系统的主方程形式主义中广泛使用的唯象弛豫算子的流行模型具有显著的缺陷，从有限的适用性到违反基本物理原理。我们提出了一个相对简单的通用模型的弛豫算子是免费的这些缺陷，有一个正确的静态限制，正确的直流限制在一个均匀的电场，包括带间和带内跃迁，是有效的任意分散的准粒子在固体中。我们使用建议的运营商推广的Lindhard公式，并推导出明确的狄拉克材料的弛豫算子与非常规能谱的准粒子，如石墨烯和Weyl半金属的表达式。我们比较了不同弛豫模型得到的石墨烯的线性磁化率谱，并表明所提出的弛豫算子导致在低频下的磁化率的物理意义的行为，而现有的模型变得完全无效。
2020-09-18 cond-mat.mes-hall cond-mat.other quant-ph
Engineering nanoscale hypersonic phonon transport
控制固体中的振动对于调整其机械特性及其与光的相互作用至关重要。热振动代表了量子水平上许多物理过程的噪声和失相的来源。避免这些振动的一种策略是构造固体，使得其具有声子阻带，即，没有可用机械模式的频率范围。在这里，我们证明了在室温下完全没有机械振动在一个广泛的光谱窗口，与5.3 GHz的宽带隙集中在8.4 GHz的图案化的硅纳米结构膜使用布里渊光散射光谱测量。通过构造线缺陷波导，我们在室温下直接测量了GHz局域模。我们在GHz频率下的热激发引导机械模式的实验结果为光-声子集成及其在光力学和信号处理转换中的应用提供了一个有效的平台。
2022-02-09 physics.optics quant-ph
Energy efficient coherent quantum control of nitrogen vacancy (NV) spin with nanoscale magnets
本研究利用纳米磁体产生的微波场对金刚石NV中心进行相干控制，实现高对比度拉比振荡，能效比天线高至少400倍，并展示了通过声功率调控拉比频率，为可扩展量子计算和传感提供新路径。
2024-07-19 cond-mat.mes-hall 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
Attosecond control of electrons emitted from a nanoscale metal tip
阿秒科学是基于电子与控制良好的飞秒激光脉冲的电场的转向。例如，它已经导致产生持续时间在亚100阿秒范围内的XUV光脉冲，通过从仔细检查的分子中取出的电子的衍射来测量内部分子动力学，以及新颖的超快电子全息术。所有这些效应都在气相中的原子或分子中观察到。虽然预测发生，一个强大的光相位敏感性的电子释放的几个周期的激光脉冲从固体迄今一直难以捉摸。在这里，我们显示了一个载波包络（C-E）的相位相关的电流调制高达100%记录在光谱的电子激光发射从纳米钨尖。在C-E相的控制下，电子起源于6-fs激光脉冲内的一个或两个亚500as长的实例，导致光谱干涉的存在或不存在。我们还表明，相干弹性再散射的释放电子发生在金属表面。由于尖端的场增强，一个简单的激光振荡器就足以达到所需的峰值电场强度，允许阿秒科学实验在100兆赫的重复率水平上进行，并使复杂的放大激光系统的性能。实际上，这项工作代表了一个简单的，精致灵敏的C-E相位传感器设备，它可以缩小到1立方厘米的体积。结果表明，上述新的阿秒科学技术的发展与原子和分子，也可以用于固体。特别是，我们预见亚飞秒（分）纳米探测（集体）电子动力学，如等离子体激元，在固态系统的大小范围从介观固体通过集群到单个突出的原子。
2011-07-08 cond-mat.mes-hall quant-ph
Spin-lattice relaxation of individual solid-state spins
理解振动对单个自旋弛豫过程的影响对于实现用于量子信息和量子精密测量应用的纳米系统是至关重要的。在这项工作中，我们提出了一个理论微观模型来描述与金刚石中带负电荷的氮空位中心相关的单个电子自旋的自旋-晶格弛豫，尽管我们的结果可以扩展到其他自旋-玻色子系统。从一般的自旋-晶格相互作用哈密顿量出发，详细描述了电子自旋为1的系统在热平衡下与声子池耦合时的量子主方程，并给出了其解.特别注意的是给1 K以下的单声子过程的动力学，我们的结果与最近的实验结果一致，并分析描述的温度和磁场标度。在较高的温度下，在相互作用哈密顿量的线性和二阶项被认为是和温度标度讨论声学和准本地化的声子在适当的时候。我们的研究结果，除了确认一个$T^5$温度依赖性的纵向弛豫速率在较高的温度下，在协议与实验观察，提供了一个理论背景，在很宽的温度范围内，不同的温度标度可能会预期的自旋晶格弛豫建模。
2017-11-28 cond-mat.mes-hall quant-ph
Spin-phonon decoherence in solid-state paramagnetic defects from first principles
金刚石和六方氮化硼中的顺磁缺陷具有独特的自旋和光学特性，使它们成为原型固态量子比特。尽管这些自旋量子比特的相干性受到自旋-声子弛豫的严重限制，但对这一过程的全面理解尚未实现。在这里，我们应用从头算自旋动力学模拟这个问题，并定量再现实验的自旋弛豫时间和自旋相干时间的温度依赖性。我们表明，低频的零场分裂的双声子调制负责自旋弛豫和退相干，并指出在2维材料的振动的性质作为其较短的相干时间的罪魁祸首。这些结果为固态顺磁缺陷中自旋-声子退相干提供了一种新的解释，为正确解释实验结果提供了一种新的策略，并为加速设计新的自旋量子比特铺平了道路。
2023-02-09 cond-mat.mtrl-sci quant-ph
Nanoscale electrical conductivity imaging using a nitrogen-vacancy center in diamond
材料的电导率可以具有微妙的，非平凡的和空间变化的特征，并对材料的基本物理特性具有重要的洞察力。在这里，我们展示了一种基于金刚石中原子大小的氮空位（NV）缺陷的电导率成像技术，该技术提供了具有纳米级空间分辨率的局部，定量和非侵入性电导率成像。我们监测的自旋弛豫率的一个单一的NV中心的扫描探针的几何形状，以定量成像的热电子运动在纳米图案化的金属导体产生的磁波动。我们实现了40纳米尺度的电导率的空间分辨率，并实现了25倍的成像速度增加，通过实施自旋-电荷转换读出浅NV中心。基于NV的电导率成像可以探测凝聚态系统在一个新的制度，作为一个模型的例子，我们项目容易实现的纳米级相分离的复杂氧化物的成像。
2017-12-26 cond-mat.mes-hall quant-ph
Solid-state electron spin lifetime limited by phononic vacuum modes
纵向弛豫是激发的自旋系综衰减到其与环境的热平衡的过程。在固态自旋系统中，进入声子池的弛豫通常超过与电磁真空的耦合。在量子极限下，自旋寿命由声子真空涨落决定。然而，由于热声子贡献或声子瓶颈过程，在以前的研究中没有观察到这种限制。在这里，我们使用基于腔量子电动力学（cQED）的色散检测方案来观察这种带负电荷的氮空位（$\mathrm{NV}^-$）中心的自旋弛豫的量子极限。金刚石即使在低温下也具有高热导率，这消除了声子瓶颈过程。我们观察到非常长的纵向弛豫时间$T_1$长达8小时。为了理解该体系中自旋-声子耦合的基本机制，我们建立了一个理论模型，并从头计算了弛豫时间。计算证实，在$\mathrm{NV}^-$跃迁频率的低声子态密度使自旋极化在宏观时间尺度上存活。
2017-06-29 cond-mat.mes-hall quant-ph
Ab initio Ultrafast Spin Dynamics in Solids
自旋弛豫和退相干是自旋电子学和基于自旋的量子信息科学的核心。目前，理论方法，可以准确地预测自旋弛豫的一般固体，包括必要的散射途径，并能够为ns到ms的模拟时间是迫切需要的。我们提出了一种基于Lindblad动力学的第一性原理实时密度矩阵方法来模拟一般固态系统的超快自旋动力学。通过对泵浦、探测和散射过程的完整的第一性原理描述，包括电子-声子、电子-杂质和电子-电子散射的自洽电子自旋-轨道耦合过程，我们的方法可以直接模拟在任何温度和掺杂水平下的超快泵浦-探测测量。我们首先将这种方法应用到一个典型的系统GaAs，并获得良好的协议与实验。我们发现，不同的散射机制和声子模式的相对贡献有很大的不同自旋和载流子弛豫过程。与以前基于模型哈密顿量的工作形成鲜明对比，我们指出，电子-电子散射在室温下是可以忽略不计的，但在低温下成为主导的自旋弛豫在n型GaAs。我们进一步研究超快动力学在新型自旋valleytronic材料-单层和双层WSe 2与现实的缺陷。我们发现，自旋弛豫是高度敏感的局部对称性和周围的缺陷的化学键。我们的工作为固体自旋动力学提供了一个预测性的计算平台，这对于设计自旋电子学和量子信息技术的理想新材料具有前所未有的潜力。
2021-09-30 cond-mat.mtrl-sci quant-ph
