Optical $Λ$ transitions and quantum computing in the $^{15}$N-V$^{-}$ Center in Diamond
本文详细推导了金刚石中带负电荷的$^{15}$ N-V $^{-}$中心在强电场作用下的激发态能级。我们证明了在$^{15}$ N-V $^{-}$中心存在一个由超精细相互作用介导的自旋非守恒双光子$Λ$跃迁，这为写入量子信息提供了可能.利用二阶微扰理论，我们得到了室温下10 MHz量级的$Λ$跃迁速率，这使得在$^{15}$ N-V $^{-}$中心的自旋相干时间$τ_d(T=300 K)\approx 1m$ s内可以进行近似的$10^4$量子逻辑运算.
2009-09-17 cond-mat.mes-hall
Electron correlation effects and two-photon absorption in diamond shaped graphene quantum dots
在准一维$π$共轭聚合物如\emph{trans} -聚乙炔和多烯中，电子相关效应决定了“反向”激发态排序，其中最低的双光子$2A_{g}$态位于最低的单光子$1B_{u}$态之下。在这项工作中，我们提出了确凿的理论证据，在相当二维$π$共轭系统，即钻石形石墨烯量子点（DQD）的反向激发态有序。我们的电子相关计算表明，DQD开始表现出相反的激发有序的尺寸增加，在独立粒子的图片不一致。这标志着强相关效应的开始，使它们不发光。此外，我们计算和分析的双光子吸收（TPA）光谱，以及光诱导吸收（PA）光谱的这些系统，并找到良好的协议与现有的实验结果。我们的研究表明，不同于严格的一维系统，如\emph{trans} -聚乙炔，非线性和激发态的双量子点的散射是高度复杂的，与几个甚至宇称态负责强散射。研究结果对石墨烯基非线性光学器件的设计具有重要的指导意义。
2018-07-07 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci physics.chem-ph
Modeling temperature-dependent population dynamics in the excited state of the nitrogen-vacancy center in diamond
本研究提出一个速率模型，描述金刚石NV中心激发态中声子驱动的轨道跳跃及其与自旋进动的耦合，从而统一解释低温至高温的布居动力学，并预测光致发光、自旋对比度等量子应用关键参数。
2023-08-31 cond-mat.mes-hall quant-ph
Optically detected magnetic resonance in neutral silicon vacancy centers in diamond via bound exciton states
金刚石中的中性硅空位（SiV0）中心由于其优异的光学性质和较长的自旋相干时间而成为量子网络的理想候选者。然而，由于对激发态精细结构的理解不足和有限的非共振自旋极化，这种缺陷中的自旋相关荧光一直是难以捉摸的。在这里，我们报告的实现光学检测磁共振和相干控制的SiV0中心在低温下，使有效的光学自旋极化通过以前未报道的更高的激发态。我们用群论和密度泛函理论将这些态指定为束缚激子态。这些束缚激子状态使新的控制方案SiV0以及其他新兴的缺陷系统。
2020-12-30 cond-mat.mes-hall quant-ph
Dissipative entanglement of solid-state spins in diamond
在固态自旋之间产生稳健的纠缠是量子信息处理和精密传感应用的关键。我们利用电子激发态的快速光衰减，在超精细耦合电子核自旋之间产生这种纠缠。在短寿命的激发态存在自发发射的情况下，光场和微波驱动场的暗态干涉效应导致了纠缠稳态的耗散形成.我们表明，耗散纠缠产生的任何初始状态条件的自旋和弹性的外部场的波动。我们分析了该计划的连续和脉冲驱动领域中存在的现实噪声源。
2016-09-02 cond-mat.mes-hall quant-ph
Strongly Cavity-Enhanced Spontaneous Emission from Silicon-Vacancy Centers in Diamond
量子发射器是包括量子通信、量子中继器和线性光学量子计算在内的广泛量子技术的组成部分。固态色心具有长的相干时间和小的非均匀展宽，是可扩展量子光学的理想候选材料。然而，一旦被激发，色心通常通过声子辅助过程衰减，限制了单光子产生和光子介导的纠缠产生的效率。在这里，我们证明了强增强的自发发射率的一个单一的硅空位中心嵌入在一个单片光学腔中的金刚石，达到一个政权的激发态寿命占主导地位的自发发射到腔模式。我们观察到10倍的寿命减少和42倍的发射强度增强时，腔被调谐到共振与一个单一的硅空位中心的光学跃迁，对应于90%的激发态能量衰减发生通过自发发射腔模式。我们还证明了迄今为止最大的耦合强度（$g/2π=4.9\pm0.3 GHz$）和协同性（$C=1.4$）的色心为基础的腔量子电动力学系统，使系统更接近强耦合制度。
2017-12-06 cond-mat.mes-hall quant-ph
Effects of the reaction cavity on metastable optical excitation in ruthenium-sulfur dioxide complexes
本文报道了[Ru（SO_2）（NH_3）_4X]Y家族的两个新成员的光激发态晶体结构：1：X= H_2O，Y=（+/-）-对甲苯磺酸根_2; 2：X=异烟酰胺，Y=对甲苯磺酸根_2。激发态在100 K下是亚稳态的，在1中的光转换率为11.1（7）%，在2中的两个不同的位置上的光转换率分别为22.1（10）%和26.9（10）%.这一结果是相关的尝试，合理地设计相关的光激发系统的光学数据存储应用。
2011-11-19 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci physics.chem-ph
Energy level structure of diamond silicon vacancy centers in an off-axis magnetic field
提出一种结合理论模型、光致发光激发谱与相干布居囚禁测量的方法，用于提取离轴磁场下单个 SiV 中心的关键能级参数并验证轨道磁耦合差异。
2024-12-02 cond-mat.mes-hall
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
Low temperature photo-physics of single NV centers in diamond
本文研究了低温条件下金刚石中单个氮空位色心的光物理特性，这些色心与磁场有关。在不同的磁场，我们观察到显着减少的NV的光致发光率，这表明一个显着的减少在NV的基态自旋的光学读出效率。我们将这些下降分配给激发态水平反交叉，这发生在强烈依赖于NV中心的有效的局部应变环境的磁场。我们的结果提供了新的见解的结构的纳米粒子的激发态和一个新的工具，他们的有效表征。使用这个工具，我们观察到强烈的迹象，应变相关的变化的NV的轨道g-因子，获得新的见解NV电荷态动力学，并得出重要的结论，NV中心的适用性低温量子传感。
2021-05-17 cond-mat.mes-hall quant-ph
Nano-engineered Diamond Waveguide as a Robust Bright Platform for Nanomagnetometry Using Shallow Nitrogen Vacancy Centers
金刚石中的光子结构是其在量子技术中大部分应用的关键。在这里，我们展示了直接构建在具有浅注入氮空位（NV）中心的金刚石衬底上的锥形纳米波导。通过基于模拟和精确实验控制这些柱状纳米波导的几何形状的优化，我们实现了高达~ $1.7 \cdot 10^6 /s$的净光子通量。这是迄今为止基于单NV中心的最明亮的单片块状金刚石结构。我们没有观察到由于纳米纤维工艺对激发态寿命和电子自旋退相时间（$T_2$）的影响。除了保留的自旋质量之外，具有这种高亮度和低背景，这种几何形状可以将当前的纳米磁性测量灵敏度提高约5倍。此外，它还促进了广泛的基于金刚石缺陷的磁力测量应用。作为演示，我们测量了单个浅NV中心电子自旋的$T_1$弛豫时间的温度依赖性。我们观察到的双声子拉曼过程相比，占主导地位的双声子奥巴赫过程是可以忽略不计的。
2014-12-16 cond-mat.mes-hall
Temperature Dependent Photophysics of Single NV Centers in Diamond
本文研究单个金刚石NV色心PL的温度与磁场依赖，揭示约50 K宽猝灭机制并建立含应变效应的定量模型，完善激发态轨道平均认识。
2023-01-31 cond-mat.mes-hall quant-ph
The electron-phonon processes of the nitrogen-vacancy center in diamond
带负电荷的氮空位中心在金刚石中的应用利用了该中心独特的光学和自旋性质，其在环境温度下主要由电子-声子相互作用控制。在这里，我们调查这些相互作用在环境温度和高温下，通过观察中心的激发态自旋共振的运动变窄。我们确定，该中心的Jahn-Teller动力学比目前认为的要慢得多，并确定对称声子模式的重要作用。我们的研究结果对中心的各种应用（包括量子技术）和理解其基本性质具有明显的影响。
2015-03-13 cond-mat.mes-hall quant-ph
Tunable amplification and cooling of a diamond resonator with a microscope
控制机械谐振器的动力学是许多量子科学和计量学应用的核心。金刚石谐振器的光机械控制是有吸引力的，由于金刚石的优良的物理性质和它的主机的能力，可以相干耦合到机械运动的电子自旋。利用共聚焦显微镜，我们展示了金刚石纳米机械谐振器运动的可调谐放大和阻尼。通过波导光机械读出观察到简正模从室温冷却到80 K，以及光功率的$60\,μ\text{W}$放大成自振荡。该系统是有前途的量子自旋光学力学，因为它被预测，使光学控制的应力-自旋耦合率为$\sim$ 1 MHz（100太赫兹）的钻石氮空位中心的基态（激发）。
2021-03-11 cond-mat.mes-hall physics.optics
Two-photon quantum interference from separate nitrogen vacancy centers in diamond
本文报道了金刚石中两个独立的氮空位中心发射的量子干涉现象。利用光致自旋极化结合偏振滤波，我们隔离的非共振激发NV中心的零声子线内的一个单一的过渡。这种滤波后的辐射的时间分辨双光子干涉对比度达到66%。此外，我们观察到量子干涉从不同的NV中心调谐到共振通过直流斯塔克效应。这些结果为远程NV中心之间基于测量的纠缠和实现具有固态自旋的量子网络铺平了道路。
2012-02-20 cond-mat.mes-hall quant-ph
Coupling a Surface Acoustic Wave to an Electron Spin in diamond via a Dark State
量子声学是一个新兴的领域，它探索声波与人造原子之间的相互作用及其在量子信息处理中的应用。在这项实验研究中，我们证明了表面声波（SAW）和电子自旋之间的耦合，利用强应变耦合的氮空位中心的激发态，同时避免这些国家的寿命短。SAW与自旋的耦合是通过一个λ型三能级系统进行的，在该系统中，两个基态自旋态通过声子辅助和直接偶极光学跃迁耦合到一个共同的激发态。实现了相干布居俘获和光驱动自旋跃迁。相干布居俘获证明了SAW和电子自旋相干性通过暗态的耦合。光学驱动的自旋跃迁类似于俘获离子系统中的边带跃迁，可以实现自旋和机械自由度的量子控制，并且可能是用于量子计算的类俘获离子固态系统。这些结果为基于自旋的量子声学搭建了实验平台，填补了自旋电子学和量子声学之间的空白。
2016-08-03 cond-mat.mes-hall quant-ph
Bandwidth analysis of AC magnetic field sensing based on electronic spin double resonance of nitrogen-vacancy centers in diamond
最近，我们已经证明了交流磁场传感方案，使用一个简单的连续波光学检测金刚石中的氮空位中心的磁共振[Appl.Phys.Lett. 113，082405（2018）]。该方案基于连续微波和射频（RF）场激发的电子自旋双共振。本文测量和分析了不同频率微波和射频场的双共振谱和磁场灵敏度。结果，我们观察到一个明确的反交叉的RF修饰的电子自旋态的光谱和估计的带宽约为5 MHz的中心频率为9.9 MHz。
2019-05-31 cond-mat.mes-hall quant-ph
Wavelength Dependence of the Electrical and Optical Readout of NV Centers in Diamond
本研究探究金刚石NV色心电学与光学读出的波长依赖特性，明确ODMR的高效工作波段，测得EDMR的最高对比度及增强波段，并给出相应物理机制解释。
2023-07-21 cond-mat.mes-hall physics.app-ph
Optomechanical Quantum Control of a Nitrogen Vacancy Center in Diamond
我们展示了光机械量子控制的内部电子状态的金刚石氮空位（NV）中心的解析边带制度通过耦合NV的光场和表面声波通过声子辅助的光学跃迁，并利用强激发态的电子-声子耦合的NV中心。光机械驱动的拉比振荡以及光机械边带和直接偶极光跃迁之间的量子干涉已经实现。这些研究打开了使用解析边带光机械耦合的量子控制的类原子的内部状态和运动状态的耦合NV-纳米机械系统，导致发展的固态模拟的被困离子。
2016-03-11 cond-mat.mes-hall quant-ph
Probing thermal magnon current mediated by coherent magnon via nitrogen-vacancy centers in diamond
目前，热激发磁振子由于其在计算设备和热电转换技术中的潜力而受到广泛研究。我们报告的热磁振子电流的检测下的温度梯度使用量子传感器的磁性绝缘体钇铁石榴石传播：与金刚石中的氮空位（NV）中心的电子自旋。热磁振子电流被观察到作为修改拉比振荡频率的NV自旋托管在一个梁状的大块金刚石，共振耦合的相干磁振子传播了很长的距离。此外，使用纳米金刚石，NV自旋弛豫速率的变化取决于所施加的温度梯度下观察到的非共振NV激发条件。通过NV自旋态探测由相干磁振子介导的热磁振子电流的演示作为创建混合自旋热电子学和自旋量子比特的设备平台的基础。
2021-12-24 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
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
Coherent Population Trapping in Diamond N-V Centers at Zero Magnetic Field
在光激发下，观察到金刚石中氮空位中心在零磁场下的相干布居俘获。当两个激发激光器之间的失谐与色心基态的2.88 GHz晶场分裂相匹配时，这被测量为光致发光的减少。这种行为是高度敏感的应变，这修改了激发态，是出乎意料的最近的实验表明基于循环跃迁的单氮空位电子自旋的光学读出。这些结果表明，第一次提出的量子信息应用程序的三个级别的λ配置可以同时实现所有四个方向的氮空位中心在零磁场。
2006-06-01 cond-mat.mes-hall quant-ph
Tin-Vacancy Quantum Emitters in Diamond
通过离子注入和随后在7.7GPa下高达2100 °C的高温退火在金刚石中产生锡空位（SnV）色心。第一性原理计算表明，大的锡原子可以被纳入到金刚石晶格的分裂空位配置，其中锡原子坐在一个间隙位置与两个相邻的空缺。室温下SnV心在619 nm处有一条尖锐的零声子线。该谱线在低温下分裂为四个峰，其基态分裂比基于其他IV族元素的色心、硅空位（SiV）心和锗空位（GeV）心的大，约为850 GHz。通过Hanbury Brown-Twiss干涉测量法对单个SnV量子发射器进行测量，估计激发态寿命为~5 ns。实验测得的光学跃迁能与SiV和GeV心的跃迁能的量级与理论计算符合得很好。
2017-08-11 cond-mat.mes-hall quant-ph
Photonic indistinguishability of the tin-vacancy center in nanostructured diamond
金刚石中的锡空位中心由于其高量子效率、大德拜-沃勒因子以及与光子纳米结构的兼容性，是很有希望的自旋光子界面。对它们的单光子不可逆性进行基准测试是未来应用的关键挑战。在这里，我们报告的单光子产生的$99.7^{+0.3}_{-2.5}\%$纯度和$63(9)\%$的不可逆性从谐振激发的锡空位中心在单模波导。我们获得了具有$77.1(8)\%$保真度的$1.71(1)$ -ns-长$π$-脉冲的光跃迁的量子控制。适度的Purcell增强因子12将增强对$95$的不可逆性。所示出的大于$100$ ms的光谱稳定性将使得能够生成高达$10^6$的相同光子的串。
2022-06-30 cond-mat.mes-hall quant-ph
Strong Spin-Orbit Quenching via the Product Jahn-Teller Effect in Neutral Group IV Artificial Atom Qubits in Diamond
金刚石中的人造原子量子比特已经成为一系列固态量子系统的主要候选者，从量子传感器到存储增强量子通信中的中继节点。由Si、Ge、Sn和Pb掺杂剂组成的反转对称的IV族空位中心具有特别的前景，因为它们的中性电荷电子配置导致基态自旋三重态，从而在低温温度以上实现长自旋相干性。然而，尽管对这些缺陷有极大的兴趣，但对这些中心的电子和自旋结构的理论理解仍然难以捉摸。在这种情况下，我们预测的第一原则的中性IV族色心的基态和激发态的属性。我们在电子-声子耦合的二阶激发态流形中捕捉到了积Jahn-Teller效应，并给出了自旋-轨道耦合效应的非微扰处理。重要的是，我们发现，自旋轨道分裂强烈淬火，由于占主导地位的Jahn-Teller效应，与最低的光学活性$^3E_u$状态弱分裂成$m_s$ -解析状态。中性IV族色心的预测复杂的振动光谱是必不可少的实验鉴定，并在量子信息科学中使用这些系统的关键影响。
2020-01-21 cond-mat.mes-hall physics.chem-ph physics.comp-ph
Group III Quantum Defects in Diamond are Stable Spin-1 Color Centers
钻石中的色心已经成为一系列量子技术的主要固态人造原子，从量子传感到量子网络。目前正在进行协调一致的研究活动，以确定新的色心，这些色心将金刚石中氮空位（NV $^-$）的稳定自旋和光学性质与硅空位（SiV $^-$）中心的光谱稳定性相结合，最近的研究确定了具有优越性质的其他IV族色心。在这封信中，我们调查了一类新的金刚石量子发射器的第一原理，第三组色心，我们证明是自旋稳定的，电场不敏感的结构。从从头算电子结构的方法，我们表征的产品Jahn-Teller（pJT）的效果存在于这些第III族色心的激发态的歧管，在那里我们捕捉到与强电子-声子耦合相关的破坏性扭曲。这些预测可以指导III族空位中心的实验鉴定及其在量子信息科学和技术中的应用。
2019-07-29 cond-mat.mes-hall physics.comp-ph quant-ph
Dynamic stabilization of the optical resonances of single nitrogen-vacancy centers in diamond
我们报告电调谐的斯塔克效应的激发态结构的单个氮空位（NV）中心位于小于100 nm的金刚石表面。零声子线（ZPL）发射频率可控地在300 GHz的范围内变化。使用高分辨率的发射光谱，我们观察到电调谐的循环和自旋改变过渡的强度。在共振激励下，我们应用动态反馈来稳定ZPL频率。该转变被锁定在几分钟内，并且在大于~100 ms的时间尺度上的峰位置的漂移被减少到单扫描线宽的一小部分，标准偏差低至16 MHz（获得用于NV的散装超纯金刚石）。这些技术将提高量子通信协议中纠缠成功的概率。
2012-04-03 cond-mat.mes-hall physics.atom-ph quant-ph
Single-crystal diamond low-dissipation cavity optomechanics
单晶金刚石腔光学机械设备是混合量子系统的一个很有前途的例子：通过将机械共振耦合到光和电子自旋，它们可以使光子控制固态量子比特的新方法成为可能。然而，从高质量的金刚石芯片实现腔光学机械器件一直是一个突出的挑战。在这里，我们展示了单晶金刚石腔光学机械设备，可以使光子-声子-自旋耦合。观察到腔光机械耦合到$2\,\text{GHz}$频率（$f_\text{m}$）机械共振。在室温环境条件下，这些共振具有低耗散（机械品质因数，$Q_\text{m} > 9000$）和高频率的记录组合，其中$Q_\text{m}\cdot f_\text{m} \sim 1.9\times10^{13}$足以实现室温单声子相干。该系统在红外和可见光波长处具有高的光学品质因数（$Q_\text{o} > 10^4$）共振，几乎是边带分辨的，并且具有光机械协同性$C\sim 3$。通过辐射压力激发的机械自振荡，其31 pm的振幅被预测为提供0.6 MHz的耦合率到金刚石氮空位中心基态跃迁（6 Hz /声子），和$\sim10^5$更强的耦合率到激发态跃迁的金刚石电子自旋的设备的光机械控制的潜力被证明。
2016-10-12 cond-mat.mes-hall physics.optics quant-ph
