CVD-growth of ultra-pure diamond, generation of NV centers by ion-implantation and their spectroscopic characterization for quantum technological applications
摘要近年来，金刚石中的氮空位（NV）中心在量子技术中的应用引起了人们的广泛关注。NV心系综的确定性产生可以促进量子传感、多体量子系统、多体纠缠等方面的研究，本文报道了金刚石中NV心的确定性产生及其表征的全过程：通过化学气相沉积（CVD）生长金刚石薄膜、离子注入和共焦显微镜对缺陷心的光谱表征。本文介绍了一种用于制备单晶同质外延金刚石薄膜的微波辅助化学气相沉积装置。薄膜的制备与最小化的氮浓度，这是通过光致发光测量证实。我们展示了一种原位超高真空（UHV）注入和加热过程中使用一种新的实验装置创建NV中心。第一次热注入已被证明可以防止表面充电效应。我们没有观察到由于超高压加热导致的石墨化。通过优化注入参数，可以以精确的方式注入NV中心。我们提出了大面积映射的样品，以确定中心的分布和描述的光谱技术的中心的表征。减少由环境噪声引起的退相干对于量子技术中的许多应用是至关重要的。我们证明了改善的相干时间T_{2}的NV自旋通过抑制它们与周围的自旋浴使用强大的动态去耦序列的相互作用。
2019-05-31 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci quant-ph
Tailoring spin defects in diamond
固体中原子大小的自旋缺陷是独特的量子系统。大多数应用需要纳米定位精度，这通常通过低能离子注入来实现。到目前为止，这种技术的一个缺点是对晶格的显著的残余重结晶引起的损伤，这强烈地降低了量子应用中自旋的性能。在这封信中，我们表明，电荷状态的重结晶引起的缺陷，极大地影响在热退火过程中的晶格缺陷的形成。我们证明，充电的空位定位在例如个别氮注入位点抑制形成的空位复合物，导致在一个十倍的改善自旋相干时间的单氮空位（NV）中心的金刚石。这是通过将注入缺陷限制在由纳米薄的掺硼金刚石结构产生的自由载流子的空间电荷层中来实现的。此外，观察到NV中心形成的产率提高了两倍。通过结合数值计算，这些结果，我们达到了一个定量的理解的形成和动态的注入自旋缺陷。所提出的结果为金刚石自旋缺陷量子器件和其他固态量子系统的改进工程铺平了道路。
2017-01-24 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
Spin coherence and depths of single nitrogen-vacancy centers created by ion implantation into diamond via screening masks
我们的特点单一的氮空位（NV）的中心创建10 keV的N+离子注入到金刚石通过薄SiO $_2$层作为屏蔽掩模。尽管与用于产生近表面NV中心的标准加速能量（< 5 keV）相比具有相对高的加速能量，但屏蔽掩模将N $^+$离子的分布改变为在金刚石表面处达到峰值[Ito等人，应用物理信函110，213105（2017）]。我们研究的NV电子自旋的相干时间和它们的深度之间的关系，表明大部分的NV中心位于10 nm内的表面，与蒙特卡罗模拟一致。通过噪声谱、表面形貌和X射线光电子能谱学评估了表面对NV自旋相干时间的影响。
2020-06-14 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci quant-ph
Optical coherence of diamond nitrogen-vacancy centers formed by ion implantation and annealing
金刚石中氮空位（NV）中心等固态发光体的量子光学科学与技术的发展关键依赖于发光体光学跃迁的相干性。在精确控制的位置处产生NV中心的广泛采用的策略是氮离子注入，然后是高温退火工艺。我们报告的实验数据直接相关的NV中心的光学相干的氮原子的起源。这些研究揭示了低应变，窄光学线宽（$<500$ MHz）NV中心形成的自然发生的$^{14}$ N原子。相比之下，由注入的$^{15}$ N原子形成的NV中心表现出显著加宽的光学跃迁（$>1$ GHz）和更高的应变。数据表明，由注入氮形成的NV中心的光学相干性差不是由于与金刚石或同位素相关的固有效应。这些结果直接影响到当前NV中心创建协议的定位精度，并指出需要进一步研究晶格损伤对注入离子的NV中心的相干性的影响。
2019-04-23 cond-mat.mes-hall physics.optics quant-ph
Towards Deterministic Creation of Single Photon Sources in Diamond using In-Situ Ion Counting
我们提出了一个原位计数离子注入实验，减少离子数的误差为5%，使量子应用的宽带隙半导体高产量的单光子发射器件的制造。典型的聚焦离子束注入依赖于知道束电流和设置离子脉冲的脉冲长度以限定在每个位置处注入的离子的数量，在本文中称为定时注入。这个过程主要是由泊松统计导致的大的误差为低数量的注入离子。相反，我们使用原位检测来测量到达衬底的离子的数量，导致用于在金刚石中产生单个光学活性硅空位（SiV）缺陷的注入离子的数量的误差比定时注入减少两倍。此外，通过注入后分析，我们可以进一步减少误差，导致与定时注入相比提高了七倍，使我们能够更好地估计注入Si到SiV的转换产率。我们通过光致发光光谱检测SiV发射体，确定每个位置的发射体的数量，并计算产率为2.98 ± 0.21 /-0.24%。候选单光子发射器进一步调查Hanbury-Brown-Twiss干涉法确认，82%的位置表现出单光子发射统计。当离子计数与提高SiV的活化产率的方法结合使用时，这种计数离子注入技术为确定性地产生SiV铺平了道路。
2021-12-03 cond-mat.mes-hall physics.optics quant-ph
Intrinsic and doped coupled quantum dots created by local modulation of implantation in a silicon nanowire
我们提出了一个系统的研究各种方法（顶栅，局部掺杂，衬底偏置），以制造和调整多点结构的硅纳米线多栅MOSFET（金属氧化物半导体场效应晶体管）。硅纳米线的载流子浓度分布是控制隧道势垒和单电子岛形成的关键参数。它由纳米线的掺杂分布和施加到顶栅和衬底的电压两者确定。局部掺杂是通过实现多达两个砷注入步骤，结合栅极和氮化物间隔物作为掩模来实现的。我们比较名义上相同的设备与不同的approtations和不同的电压施加到基板上，导致实现的本征和掺杂耦合点结构。我们展示了所有的隧道电阻对电极和点之间的设备，可以独立地调整与控制顶栅包裹硅纳米线。
2011-05-02 cond-mat.mes-hall
Impact of surface and laser-induced noise on the spectral stability of implanted nitrogen-vacancy centers in diamond
利用金刚石中的氮空位中心的量子网络技术的可扩展实现需要在紧邻表面处创建光学相干NV中心以用于耦合到光学结构。我们通过$^{15}$ N离子注入和高温真空退火产生单NV中心。NV中心的起源是通过用于氮同位素鉴定的光学检测磁共振光谱来建立的。对于大多数正常注入（7个$^\circ$，$\approx$ 100 nm深）$^{15}$ NV中心，观察到接近寿命限制的光学线宽（$<$ 60 MHz）。NV $^-$电荷状态和发射频率的长期稳定性得到证明。NV-表面相互作用的效果进行了研究，通过改变注入角度为一个固定的离子能量，从而晶格损伤的档案。与正常注入条件相比，来自预注入（85 $^\circ$，$\approx$ 20 nm深）的NV表现出显著降低的光学相干性。我们的研究结果表明，表面是一个更大的扰动源比注入损伤浅注入纳米粒子。这项工作支持离子注入的可行性，形成光学稳定的NV中心。然而，仔细的表面准备将是必要的可扩展的缺陷工程。
2021-08-06 cond-mat.mes-hall physics.optics quant-ph
Impact of helium ion implantation dose and annealing on dense near-surface layers of NV centers
本研究探究了氦离子注入剂量与退火温度对金刚石近表面NV中心层的影响，发现将注入剂量增至三倍可提升28%磁灵敏度，而1100°C额外退火仅提升6.6%，且更高剂量有望提升达70%。
2022-04-29 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci physics.ins-det
Maskless and targeted creation of arrays of colour centres in diamond using focused ion beam technology
氮空位中心在金刚石中的产生现在通过氮注入和退火得到很好的控制。虽然NV中心的高分辨率放置已经被证明使用通过刺穿AFM尖端或具有由电子束光刻制成的孔的掩模的准直，但是使用这些技术可能无法实现到金刚石中的预定义结构中的靶向注入。我们表明，一束氮离子可以集中到约100 nm，使用聚焦离子束（FIB）技术。使用电子回旋共振（ECR）等离子体源产生氮离子束。结合扫描电子显微镜，氮FIB提供了新的可能性，有针对性地创建单一缺陷的钻石。这种无掩模技术例如适用于在光子晶体的腔中或在用于扫描磁力测量的金刚石尖端中产生光学中心。最后，我们进一步表明，通过改变气体源从氮气到氙气，标准的FIB铣削能力也可在同一工具。
2013-04-24 cond-mat.mes-hall
Efficient creation of dipolar coupled nitrogen-vacancy spin qubits in diamond
金刚石中氮空位缺陷电子自旋的相干耦合对或多聚体具有许多有前景的应用，特别是在量子信息处理（QIP）中，而且在纳米传感应用中。自旋量子位的可扩展寄存器对于QIP的发展至关重要。离子注入是唯一已知的能够产生足够接近的缺陷对以允许通过偶极相互作用进行自旋耦合的技术。虽然已经提出了几种竞争的方法来提高离子注入的分辨率，但工作寄存器的可靠创建仍有待证明。当前的限制是残余辐射引起的缺陷，导致量子位性能下降，作为定位精度的折衷。在这里，我们提出了一个优化的估计纳米掩模注入参数，最有可能在标准条件下产生相互作用的量子位。我们将我们的研究结果应用到一个成熟的技术，即掩模写在电子束光刻，以创建一个合理的概率耦合缺陷对。此外，我们调查的缩放行为和必要的改进，以有效地工程相互作用的自旋架构。
2016-10-04 cond-mat.mes-hall quant-ph
Surface transfer doping of hydrogen-terminated diamond probed by shallow nitrogen-vacancy centers
该研究利用不同注量氮离子注入在氢终端金刚石表面下制备浅层NV中心，通过光致发光、ODMR和表面导电性测量，揭示能带弯曲不仅由功函数差决定，还受表面受主有限密度制约，为氢终端金刚石电子器件设计提供关键依据。
2024-08-01 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
Plasma treatments and photonic nanostructures for shallow nitrogen vacancy centers in diamond
我们研究了等离子体处理，特别是0 V偏压，潜在的低损伤O $_2$等离子体以及偏置Ar/SF $_6$ /O $_2$等离子体对浅，负氮空位（NV $^-$）中心的影响。我们使用纯电感耦合的0 V偏压等离子体进行点火和维持。为此，我们对高纯度化学气相沉积单晶金刚石（SCD）的表面进行预处理。随后，我们通过注入和退火产生$\sim$ 10 nm深的NV $^-$中心。在退火的SCD表面上，我们制造了纳米柱结构，其有效地波导浅NV $^-$的光致发光（PL）。表征这些纳米柱内的单个NV $^-$，我们发现Ar/SF $_6$ /O $_2$等离子体处理淬灭NV $^-$ PL，即使考虑到离子注入后的退火和清洁步骤去除任何表面终止。相比之下，对于我们的0 V偏压以及偏压O $_2$等离子体，我们观察到稳定的NV $^-$ PL和来自光子纳米结构的低背景荧光。
2019-11-12 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
Highly-tunable formation of nitrogen-vacancy centers via ion implantation
我们展示了高度可调的氮空位（NV）中心的形成，使用20 keV的15 N+离子注入通过阵列的高分辨率的电子束光刻制作的孔。通过改变孔径（从80到240 nm），以及平均离子注量（从5 x 10^10到2 x 10^11个离子/cm ^2），我们可以控制每个孔径的离子数量。我们分析了不同的注入参数在多个网站上的光致发光，并获得离子到NV的转换产率为6%至7%，在所有离子注量一致。注入的NV中心具有自旋退相时间T2* ~ 3微秒，与具有天然丰度13 C的高纯度金刚石中天然存在的NV中心相当。通过这项技术，我们可以确定性地控制每个孔径中NV中心的布居分布，从而可以研究单个或耦合NV中心及其集成到光子结构中。
2014-08-26 cond-mat.mes-hall
Ion Implantation for Deterministic Single Atom Devices
我们展示了一个确定性掺杂的能力，在单原子水平上使用直写聚焦离子束和固态离子探测器的组合。聚焦离子束系统可以将单个离子定位到目标位置的35 nm内，并且检测系统对单个低能重离子敏感。该平台可用于确定性地制造材料中的单原子器件，其中纳米结构和离子检测器可以集成，包括Si中基于供体的量子位和金刚石中的色心。
2017-11-02 cond-mat.mes-hall physics.app-ph
Can ultraprecision polishing techniques improve the coherence times of nitrogen-vacancy centers in diamond?
我们研究了金刚石表面粗糙度与近表面氮空位中心（~7 nm/ 5 keV注入能量）相应的$T_2$时间之间的相关性。为此，我们比较了五种不同的抛光技术，包括纯机械以及化学机械方法，两种不同的基板源（Diam 2 tec和元素六）和两种不同的表面终止（O-和H-终止）在氮空位形成。测量并比较在520 °C下氧表面处理之前和之后的所有相干时间。我们发现，浅氮空位中心的相干时间是令人惊讶的独立的表面粗糙度。
2018-01-10 cond-mat.mes-hall
Fabrication of $^{15}\textrm{NV}^{-}$ centers in diamond using a deterministic single ion implanter
金刚石中的氮空位（NV）中心是几种重要量子技术的平台，包括传感，通信和基本量子处理器。在这封信中，我们证明了创建NV中心注入使用一个确定性的单离子源。为此，我们在Paul阱中同情地激光冷却单个$^{15}\textrm{N}_2^+$分子离子，并以5.9keV的能量提取它们。随后，离子以121（35）nm的横向分辨率聚焦，并且被注入到金刚石衬底中，而不通过孔或掩模进行任何空间过滤。在高温退火后，我们在共聚焦显微镜中检测NV中心，并确定约0.6\，$\%$的转换效率。$^{15}\textrm{NV}$中心的特征在于通过光学检测磁共振（ODMR）的超精细跃迁和相干时间。
2021-01-06 cond-mat.mes-hall cond-mat.other quant-ph
Effect of Helium Ion Implantation on 3C-SiC Nanomechanical String Resonators
本文研究氦离子注入产生的点缺陷对预应力3C-SiC纳米机械弦谐振器性能的影响，提出基于欧拉-伯努利梁理论的方法确定杨氏模量与预应力，发现低剂量注入不影响机械性能，而高剂量下拉伸应力和阻尼率发生特征性变化。
2024-05-03 cond-mat.mes-hall
Single crystal diamond pyramids for applications in nanoscale quantum sensing
我们提出了一种新的方法，结合自上而下的制造和自下而上的过度生长，以创建单晶金刚石纳米锥的形式的金刚石光子纳米结构。我们的方法依赖于金刚石纳米柱，其与单晶金刚石过度生长以形成沿着晶体面取向的金字塔结构。为了表征金字塔的光子特性，使用离子注入和退火以受控的方式创建色心。我们发现非常高的收集效率，从色心接近金字塔的顶点。我们进一步展示了金刚石金字塔的出色光滑度和锐利度，测得的尖端半径约为10纳米。我们的研究结果提供了有趣的前景，纳米量子传感使用钻石色心，我们的钻石金字塔可以用作扫描探针的纳米成像。在那里，我们的方法将提供显着的优势相比，锥形扫描探头，定义了目前的最先进的。
2019-10-23 cond-mat.mes-hall quant-ph
Nanoimplantation and Purcell enhancement of single NV centers in photonic crystal cavities in diamond
我们提出了一个控制创建的单氮空位（NV）中心通过离子注入的光子晶体腔的中心，这是在超纯，单晶金刚石膜制造。NV中心的高分辨率放置是通过原子力显微镜（AFM）的穿刺尖端使用5keV的氮离子束的准直来实现的。我们证明了注入NV中心的宽带荧光耦合到腔模，并观察到Purcell增强的自发发射。结果与主方程模型的腔耦合是一致的。
2015-03-19 cond-mat.mes-hall physics.optics quant-ph
A robust, fiber-coupled scanning probe magnetometer using electron spins at the tip of a diamond nanobeam
本文提出一种基于光纤耦合金刚石纳米梁尖端NV自旋的磁成像探针，通过倾斜离子注入和光纤粘合实现鲁棒可移动设计，并验证了对载流导线磁场的成像能力，为量子材料与生物样本研究提供新途径。
2024-07-22 cond-mat.mes-hall
Isotopic identification of engineered nitrogen-vacancy spin qubits in ultrapure diamond
氮杂质有助于稳定金刚石中NV $^-$的负电荷状态，而来自氮自旋的磁波动导致NV $^-$量子位的退相干。目前还不知道什么样的供体浓度可以优化这些相互冲突的要求。在这里，我们使用10-MeV的$^{15}$ N $^{3+}$离子注入在超纯金刚石中产生NV $^-$。光学检测的单中心磁共振显示从$^{15}$ N $^{3+}$离子产生$40\pm3$ %的高产率和从$^{14}$ N杂质产生$56\pm3$ %的额外产率。高温退火用于减少残余缺陷，并且即使在0.06 ppb的稀$^{14}$ N杂质浓度中也产生电荷稳定的NV $^-$，具有长相干时间。
2014-09-03 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
Nanoscale nuclear magnetic resonance with a 1.9-nm-deep nitrogen-vacancy sensor
我们提出了纳米级的NMR测量与氮空位（NV）中心位于约2纳米的金刚石表面。NV中心是通过浅离子注入，然后在空气中使用氧化蚀刻缓慢地、逐纳米地去除金刚石材料来创建的。NV中心与表面的紧密接近产生了高达3.4 uT-rms的大的1H NMR信号，对应于在~（1.8 nm）^[3]探测体积中的~330个统计极化或~10个完全极化的质子自旋。
2014-01-22 cond-mat.mes-hall
Influence of nanostructuring on silicon vacancy center spins in diamond pillars
金刚石微米和纳米结构中的色心正在研究中，用于大量的应用。然而，在小结构中获得高质量的色心是具有挑战性的，并且很少有人知道在从块体到微米和纳米结构的过渡期间诸如自旋布居寿命之类的性质如何变化。在这篇手稿中，我们研究了各种方法来制备含有硅空位中心的金刚石样品，并测量了当我们将它们的尺寸从大约1 $μ$ m改变到120 nm时，柱中轨道态的布居寿命如何变化。研究了金刚石衬底的性质、注入方式和退火方式对硅空位非均匀线宽和轨道寿命的影响。我们的测量结果表明，名义上相同的金刚石样品可以显示显着不同的不均匀加宽。我们观察到微弱的迹象表明，在小结构的限制振动模式可能会延长人口寿命。然而，晶格中的缺陷或由蚀刻引起的表面损伤降低了粒子群寿命，特别是在最小的结构中。
2019-08-05 cond-mat.mes-hall quant-ph
NMR Technique for Determining the Depth of Shallow Nitrogen-Vacancy Centers in Diamond
我们证明了一个强大的实验方法来确定个人浅氮空位（NV）中心的深度与$\sim1$ nm的不确定性在金刚石。我们使用共聚焦显微镜来观察单个NV中心，并检测到在金刚石表面上的目标浸渍油产生的质子核磁共振（NMR）信号，该目标浸渍油具有很好的核自旋性质。我们确定NV中心的深度，通过分析NV NMR数据，使用一个模型，描述了一个单一的NV中心的相互作用与极化质子自旋浴。我们重复这个过程中的大量的个人，浅NV中心，并比较所得的NV深度的平均值预期从模拟的离子注入过程中用于创建NV中心，具有合理的协议。
2015-08-18 cond-mat.mes-hall quant-ph
Stabilizing shallow color centers in diamond created by nitrogen delta-doping using SF$_6$ plasma treatment
在这里，我们报告的制造稳定，浅（< 5 nm）的氮空位（NV）中心的金刚石中的氮δ掺杂在化学气相沉积（CVD）生长过程的最后阶段。在$SF_6$等离子体中处理金刚石后，NV稳定，否则观察不到色心，表明来自表面的强烈影响。X-射线光电子能谱学测量表明，在表面上只有氟原子的存在下，在以前的研究，并建议非常好的表面覆盖。我们设法从浸没油中的质子检测到氢核磁共振信号，揭示了约5 nm的NV深度
2015-03-23 cond-mat.mes-hall quant-ph
Chip-scale nanofabrication of single spins and spin arrays in diamond
我们展示了一种基于宽束氮注入通过电子束光刻胶中的孔纳米制造金刚石中的氮空位（NV）中心的技术。该方法能够实现在亚100 nm长度尺度上的单个NV中心的高通量纳米加工。二次离子质谱（SIMS）测量促进注入氮的深度剖析，以提供NV中心空间分布的三维表征。NV中心相干性与片上共面波导的测量表明，在未来的量子应用中，将这种可扩展的纳米纤维技术的途径。
2010-07-03 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci quant-ph
Low-Temperature Spectroscopic Investigation of Lead-Vacancy Centers in Diamond Fabricated by High-Pressure and High-Temperature Treatment
本文报道了在高压（7.7GPa）下用Pb离子注入和随后的高温退火（2100 °C）制备的金刚石中铅空位（PbV）中心的光学观察。在5.7K以下的不同温度下，通过光致发光表征了它们的光学性质。我们观察到强烈的发射峰在550和554 nm的大分裂约3900 GHz。这两条线被认为对应于具有分裂基态和激发态的PbV中心的零声子线（ZPL）。观察到ZPL宽度的立方趋势，而变化的温度。我们在一个单一的PbV中心的两条线进行极化测量，显示出几乎正交的偶极极化。这些光学测量强烈表明，PbV中心具有D3d对称性的金刚石晶格。所观察到的大的基态分裂显著抑制了声子介导的跃迁，这导致金刚石中IV族色心的电子自旋态的退相干，预期在约8 K的温度下的长的自旋相干时间。
2021-06-07 cond-mat.mes-hall quant-ph
Integrated waveguides and deterministically positioned nitrogen vacancy centers in diamond created by femtosecond laser writing
金刚石的氮空位（NV）中心是一种具有长自旋相干时间的光学活性缺陷，在高效的纳米磁学和量子信息处理方案中显示出巨大的潜力。近年来，利用飞秒激光写入技术在金刚石中成功地制备出了掩埋的三维光波导和高质量的单纳米线。然而，到目前为止，将这些技术结合起来一直是一个突出的挑战。在这项工作中，我们在量子级金刚石中制造激光写入的光子波导，这些光子波导在微米分辨率内对准单个激光写入的NV，从而实现提供确定性定位的波导耦合NV的集成平台。这种制造技术为单光子在NV之间的片上光学路由和光学集成的基于自旋的感测开辟了道路。
2018-03-12 cond-mat.mes-hall physics.optics quant-ph
Conversion of neutral nitrogen-vacancy centers to negatively-charged nitrogen-vacancy centers through selective oxidation
中性氮空位中心带负电荷的氮空位中心的转换被证明是由离子注入和退火在高纯金刚石中心。当表面暴露于465 C的氧气气氛时发生转化。电荷转换中心的光谱特性进行了研究。接近金刚石表面的氮空位中心的电荷状态控制是将这些中心集成到用于量子信息和磁传感应用的设备中的重要一步。
2010-01-29 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
Charge dynamics in near-surface, variable-density ensembles of nitrogen-vacancy centers in diamond
虽然表面浅氮空位（NV）中心的自旋特性已被广泛审查的主题，相当少的注意力一直致力于研究金刚石表面附近的NV电荷转换的动力学。使用多色共聚焦显微镜，在这里，我们表明，近表面点缺陷所产生的高密度离子注入显着增加的电离和重组率相比，在散装金刚石的浅NVs。此外，我们发现，这些速率线性增长，而不是二次方与激光强度，表明单光子过程，使NV状态混合与其他缺陷状态。伴随着这些发现，我们观察到NV电离和复合在黑暗中，可能是电荷转移到邻近的陷阱的结果。尽管改变的电荷动力学，我们表明，一个可以压印的，持久的图案的充电初始化，近表面的NV在大面积上，一种能力，可以利用电化学生物传感或光学存储数字数据集与子衍射分辨率。
2018-06-30 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
Ion implantation in nanodiamonds: size effect and energy dependence
纳米粒子在自然界中无处不在，对技术越来越重要。它们在各种环境中受到电离辐射的轰击。特别地，纳米金刚石代表了具有重要基础和应用兴趣的各种纳米颗粒。在这里，我们提出了一个相结合的实验和计算的氙离子照射下的纳米金刚石的行为研究。出乎意料的是，我们观察到纳米金刚石的抗辐射性上的显著尺寸效应：大于8nm的颗粒的行为类似于宏观金刚石（即，其特征在于高抗辐射性），而较小的颗粒可以通过来自限定能量范围内的离子的单次撞击而完全破坏。后一种观察结果可以通过穿透离子对纳米金刚石的极端加热来解释。所获得的结果并不限于纳米金刚石，使他们感兴趣的几个领域，把制约过程的控制修改纳米金刚石，在生存的尘埃在天体物理环境中，并从核废料释放到环境中的锕系元素的行为。
2018-03-24 astro-ph.GA cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
Optically Coherent Nitrogen-Vacancy Centers in HPHT Treated Diamonds
本研究提出一种非破坏性高温高压退火方法制备光学相干NV中心，获得窄线宽（<100 MHz）的可分辨NV中心，为量子信息科学中高性能人工缺陷的制造提供了新途径。
2024-09-26 cond-mat.mes-hall quant-ph
Narrow-linewidth tin-vacancy centers in a diamond waveguide
将固态量子发射器与光子电路集成是实现大规模量子光子处理器的关键。金刚石中带负电荷的锡空位（SnV $^-$）中心由于其优异的光学和自旋性质（包括窄线宽发射和长自旋相干时间）而成为量子发射体的有希望的候选者。SnV $^-$中心需要结合在光波导中，以有效地在芯片上路由它们产生的光子。然而，这种融合尚未实现。在这封信中，我们展示了SnV $^-$中心到纳米光子波导的耦合。我们实现这一设备，利用我们最近开发的浅离子注入和生长方法产生高品质的SnV $^-$中心和先进的准各向同性金刚石制造技术。我们确认这些技术的兼容性和鲁棒性，通过成功的窄线宽SnV $^-$中心（窄至$36\pm2$ MHz）的金刚石波导耦合。此外，我们研究了波导耦合SnV $^-$中心共振激发下的稳定性。我们的研究结果是一个重要的一步SnV $^-$为基础的芯片上的自旋光子接口，单光子非线性，光子介导的自旋相互作用。
2020-07-28 cond-mat.mes-hall physics.app-ph physics.optics
Scalable Focused Ion Beam Creation of Nearly Lifetime-Limited Single Quantum Emitters in Diamond Nanostructures
缺陷中心-纳米腔系统的受控创建是有效地将自旋量子存储器与光子接口用于量子网络中基于光子的纠缠操作的突出挑战之一。在这里，我们展示了直接的，无掩模创建原子状的单硅空位（SiV）中心的金刚石纳米结构通过聚焦离子束注入与$\sim 32$ nm的横向精度和$< 50$ nm的定位精度相对于纳米腔。此外，我们确定了Si+离子到SiV中心的转化产率到$\sim 2.5\%$，并观察到通过额外的电子照射的10倍的转化产率增加。我们提取不均匀加宽的系综发射线宽的$\sim 51$ GHz，接近寿命限制的单发射极过渡线宽下降到$126 \pm13$ MHz对应于$\sim 1.4$倍的自然线宽。这种光学相干固态单量子系统的确定性创建的演示是朝着可扩展量子光学器件的发展迈出的重要一步。
2016-10-29 cond-mat.mes-hall physics.optics quant-ph
Single ion implantation for single donor devices using Geiger mode detectors
被设计成利用单原子（例如供体或缺陷）的性质的电子器件已经成为现实，最近展示了供体光谱、单光子发射源和利用金刚石中的缺陷中心的磁成像。改善单离子检测器灵敏度与改善对离子离散的控制以及通过允许在潜在更大距离处进行离子感测而在与单施主装置构造区的有源区的布局集成中提供更大灵活性有关。使用远程定位的被动门控单离子盖革模式雪崩二极管（SIGMA）检测器，我们已经证明了100%的检测效率在距离> 75 μ m的收集结的中心。这种检测效率是通过对注入离子产生的约600个或更少的电子-空穴对的灵敏度来实现的。具有这种灵敏度并与薄电介质（例如5nm栅极氧化物）集成的使用低能量Sb注入的离子检测器将具有<2.5nm的范围末端离散。通过修改离子束设置以允许SIGMA探测器的低温操作来实现错误计数概率的显著降低。在1 Hz下使用230 ns的检测窗口，对于300 K和77 K的操作温度，假计数的概率分别测量为1E-1和1E-4。低温操作和减少的假暗计数对于实现单离子到达的高置信度至关重要。对于本工作中的器械性能，置信度计算为在每个门控窗口的平均离子数为0.015时，对于1E-4的错误计数概率，计数一个且仅一个离子的概率> 98%。
2009-09-28 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
Detecting External Electron Spins Using Nitrogen-Vacancy Centers
近表面氮空位（NV）中心已经通过15 N的低能量注入在金刚石中产生，以感测金刚石外部的电子自旋。通过进行双共振实验，我们已经验证了g=2自旋的金刚石晶体上进行了各种表面处理，包括涂层与含有自由基2，2-二苯基-1-苦基肼（DPPH）的聚合物膜的存在。随后的酸洗消除了自旋信号，而没有破坏NV中心，提供了强有力的证据表明自旋在表面。一个明确的相关性之间观察到的检测到的自旋信号的大小和弛豫时间T2的六个NV中心的研究。我们已经开发了一个模型，考虑到有限的相关时间的波动磁场产生的外部自旋，并使用它来推断的信号强度和相关时间的磁场从这些自旋。该模型还强调了通过双共振主动操纵纵向自旋分量的灵敏度优势，而被动检测方案测量自旋的横向分量。
2012-09-17 cond-mat.mes-hall
Room temperature operational single electron transistor on the macroscopic surface of hydrogenated diamond like carbon
本文介绍了在宏观系统--二维大面积氢化类金刚石碳薄膜表面上制作的室温单电子晶体管。我们的研究结果与理论结果一致，并且克服了现有工艺不能将库仑阻塞尺寸降低到亚纳米范围的局限性，为今后在原子物理学、量子现象和计量学领域的实际应用提供了理论依据.
2013-06-27 cond-mat.mes-hall
Microscopic study of optically-stable, coherent color centers in diamond generated by high-temperature annealing
固体中的单色心已经成为量子信息科学的一个有前途的物理平台。创建这些具有优异量子特性的中心是进一步技术发展的关键基础。特别是，对旋转浴环境的微观理解是设计量子控制色心的关键。在这项工作中，我们提出并展示了一种独特的高温退火（HTA）方法，用于在无重结晶金刚石中产生高质量的氮空位（NV）中心。同时使用所创建的NV中心作为其局部环境的探针，我们验证了HTA在显微镜下没有引起损伤。在超低氮浓度膜中产生的几乎所有单NV中心都具有稳定的和傅里叶变换限制的光谱。此外，HTA大大减少了自然生长在合奏样本的噪声源，并导致三倍以上的消相干时间和灵敏度的改善。我们还验证了空位激活和缺陷重组，特别是H3和P1中心，可以解释自旋浴和色心之间的重新配置。这种新颖的方法将成为基于空位的量子技术的强大工具。
2022-08-20 cond-mat.mes-hall quant-ph
High sensitivity magnetic imaging using an array of spins in diamond
我们提出了一种利用金刚石二维自旋阵列的固态磁场成像技术。磁性传感自旋阵列由在浅深度处产生的氮空位（NV）中心制成。它们的光学响应用于测量近距离的外部磁场。使用CCD相机以多路复用方式从60 × 60 $μ$ m视场读出光学检测的磁共振（ODMR）。我们实验证明了完整的二维矢量成像的磁场所产生的一对载流微导线。所提出的宽场NV磁力计除了其20 nT/ $\sqrt{Hz}$的高磁灵敏度和矢量重构之外，还提供了在室温下前所未有的时空分辨率和功能。
2010-03-18 cond-mat.mes-hall
Longitudinal spin-relaxation in nitrogen-vacancy centers in electron irradiated diamond
本文系统地测量了合成金刚石中氮空位色心（NV $^-$）基态自旋极化的纵向弛豫率（$1/T_1$）随NV $^-$浓度和磁场$B$的变化。NV $^-$中心通过用来自透射电子显微镜的200 keV电子沿[100]轴以不同剂量照射1b型单晶金刚石来产生，以获得不同NV $^-$中心浓度的斑点。测量每个点的（$1/T_1$）值作为$B$的函数。
2015-11-19 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci quant-ph
Combined synchrotron X-ray diffraction and NV diamond magnetic microscopy measurements at high pressure
我们报告的可能性，同时进行宽场氮空位（NV）金刚石磁性显微镜和同步辐射X射线衍射（XRD）测量在高压下。NV色心在金刚石砧的底脚上产生，该底脚集成在用于样品的静态压缩的金刚石砧室中。NV中心的光学检测的自旋共振用于映射由样品磁化产生的杂散磁场。使用这种组合方案，可以同时测量磁性和结构行为。作为原理证明，我们记录了铁在300 K下在15 - 20 GPa之间发生的相关α-Fe到ε-Fe结构和磁性转变。
2020-10-19 cond-mat.mes-hall quant-ph
Oxygenated (113) diamond surface for nitrogen-vacancy quantum sensors with preferential alignment and long coherence time from first principles
金刚石中的浅氮空位（NV）中心在量子传感中具有广阔的应用前景，但其灵敏度受到表面终止子和缺陷的限制。有一个直接寻求找到合适的金刚石表面的NV传感器。本工作利用第一性原理计算研究了（113）金刚石的表面终止子对浅NV心的作用。结果表明，（113）金刚石的完全氧终止产生正的电子亲和势，在表面上没有应变，也没有间隙能级。这是一个非常令人惊讶的结果，因为通常使用的氧化（001）金刚石表面通常是有缺陷的，这是由于在表面处的醚基团的应变所产生的无序，其严重破坏了浅NV中心的相干性质。与（001）和（111）金刚石表面相比，（113）金刚石表面特殊的原子构型有利于氧的成键。这些模拟表明，氧化金刚石（113）表面可以通过常规的金刚石化学气相沉积生长。结合（113）取向金刚石中生长态NV中心的~73%优先排列，氧化（113）金刚石目前被认为是NV量子传感器最有前景的主体。
2019-01-31 cond-mat.mes-hall quant-ph
Influence of Platinum Thin Films on the Photophysical and Quantum Properties of Near-Surface NV Centers
研究了铂薄膜对近表面NV中心量子传感的影响，发现铂层附近NV系综的光致发光寿命和NV负电荷态种群显著下降，但在至少20 keV注入的样品中T2相干时间显著增加，为金属薄膜与NV中心集成提供指导。
2025-09-30 cond-mat.mes-hall quant-ph
Predicted strong coupling of solid-state spins via a single magnon mode
该研究提出一种混合量子系统方案，将金刚石氮空位（NV）中心自旋与有机亚铁磁体的磁振子模式耦合，预测其协作性高于传统材料，为单自旋-单磁振子转换及微米尺度NV纠缠提供实用途径。
2020-09-01 cond-mat.mes-hall quant-ph
Continuous microwave hole burning and population oscillations in a diamond spin ensemble
连续光谱烧孔和自旋能级布居振荡的研究在一个非均匀加宽的金刚石基自旋系综组成的替代氮和氮空位中心通过中子辐照和退火。烧焦的光谱特征突出了失谐依赖的均匀孔线宽，其比总的非均匀系综线宽窄三个数量级。连续的人口振荡被观察到迅速衰减超过泵和探头失谐5赫兹，并使用一个五能级系统的耦合速率方程的数值模拟。这些振荡的傅立叶分析突出离散的$^{13}$ C超精细相互作用，与非均匀系综线宽内的能量，以及可疑的核$3/2$ -自旋耦合签名可能与中子辐照的副产物$^7$ Li有关。
2019-12-03 cond-mat.mes-hall quant-ph
Broadband, noise-free optical quantum memory with neutral nitrogen-vacancy centers in diamond
提出了金刚石中中性氮空位中心的基态流形可以作为一个量子二能级系统用于宽带无噪声量子光存储器的固态实现。该方案基于在两个E轨道基态和中心的A $_1$轨道激发态之间产生的同自旋$Λ$型三能级系统，以及通过施加横向电场或单轴应力获得的交叉线性极化选择规则。可能的衰变和退相干机制，该系统进行了讨论，它表明，高效率，无噪声存储的光子短至几十皮秒至少几纳秒可能在低温下。
2015-04-23 cond-mat.mes-hall quant-ph
