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
Momentum-resolved magnetic noise spectroscopy using ensembles of diamond quantum sensors
Princeton University(普林斯顿大学)
本文利用金刚石氮空位中心系综的宽场成像与光学耗尽调谐,实现动量分辨的量子噪声谱学,用于测量强关联物质中多尺度磁涨落。
2026-10-06 cond-mat.mtrl-sci quant-ph
Statistical imaging of NV centers reveals clustered defect formation in diamond
CUNY- The City College of New York(纽约市立大学学院);CUNY-Graduate Center(纽约市立大学研究生院)
本研究利用共振光致发光激发成像实现金刚石中NV色心的统计分析,发现其呈非泊松簇状分布,为金刚石缺陷研究及量子应用提供了可扩展方法。
2026-08-04 cond-mat.mtrl-sci
Mapping the local spatial charge in defective diamond by means of NV sensors - A "self-diagnostic" concept
电活性缺陷对基于宽带隙材料(例如金刚石)的电子器件的性能具有显著影响。这个问题在金刚石科学和技术中是普遍存在的,因为在不同类别的基于金刚石的器件(探测器、功率二极管、晶体管)的有源区中存在电荷陷阱,由于空间电荷的形成、记忆效应和与辐射损伤相关的电子响应的退化,可以显著影响它们的性能。在金刚石中最常见的缺陷中,氮空位(NV)中心具有独特的自旋特性,这使得在纳米尺度下能够实现高灵敏度的场传感。在这里,我们表明,NV合奏可以成功地利用执行直接的本地映射的内部电场分布的石墨-金刚石-石墨结表现出的电性能为主的陷阱和空间电荷相关的传导机制。通过执行光学检测的磁共振测量,我们在不同的偏置电压下执行了有源区中的电场的精确读出和空间映射。在这种新的“自我诊断”的方法中,缺陷复合物不仅代表有害的空间电荷效应的来源,而且也是一个独特的工具,直接调查他们,通过提供实验证据的传导机制,在以前的研究中只能间接推断的基础上,传统的电气和光学表征。
2017-06-24 cond-mat.mtrl-sci quant-ph
Enhanced sensitivity of partial O-terminated H-diamond for H2S detection at room temperature
本文研究了部分O端接H金刚石薄膜在室温下的H2S检测行为,发现最优的部分O端接传感器因O官能团的催化活性使灵敏度提升约一个数量级,并基于湿度诱导H2S水解化提出了传感机制。
2023-11-21 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
Spatiotemporal Mapping of Photocurrent in a Monolayer Semiconductor Using a Diamond Quantum Sensor
光电流的检测对于理解和利用光与物质的相互作用至关重要。虽然被广泛使用,但基于传输的检测在空间分布上是平均的,并且可能遭受低的光生载流子收集效率。在这里,我们介绍了一种无接触的方法来空间解决当地的光电流密度使用近端量子磁强计。我们界面单层MoS2与金刚石中氮空位中心的近表面系综,并通过其磁场分布图绘制所产生的光热电流分布。通过同步的光激发与动态解耦的传感器自旋,我们扩展了传感器的量子相干性,并实现灵敏度小至20 nA每微米的交流电流密度。我们的时空测量显示,光电流循环的漩涡,体现能斯特效应,并上升的时间尺度指示系统的热性能。我们的方法建立了一个前所未有的探测光电现象,非常适合新兴的类二维材料,并刺激应用大面积光电探测器和粘贴源的磁场量子控制。
2019-03-22 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci quant-ph
Optimizing the depth-dependent nitrogen-vacancy center quantum sensor in diamane
本研究通过第一性原理计算系统分析了二维金刚烷中的氮-空位中心,发现氧表面终端和量子限域效应可优化光稳定性并实现零声子线可调,为量子信息处理提供了更优平台。
2025-08-11 cond-mat.mtrl-sci
Probing spin dynamics on diamond surfaces using a single quantum sensor
理解量子比特环境的动力学对于实现用于量子信息处理和计量的实用系统是必不可少的。我们利用金刚石中的单氮空位中心来研究金刚石表面无序自旋系综的动力学。具体来说,我们调整“暗”表面自旋的密度,以询问它们对浅NV中心自旋量子比特的退相干的贡献。当平均表面自旋间距超过NV中心深度时,我们发现表面自旋对NV中心自由感应衰减的贡献可以用一个变幂n的拉伸指数来描述。我们表明,这些意见是一致的模型,其中表面自旋的空间位置是固定的每次测量,但其中一些重新配置之间的测量。特别是,我们观察到一个深度相关的临界时间与动态过渡从高斯(n=2)衰变到n=2/3,并表明,这种过渡产生于许多遥远的自旋和强耦合到几个近端自旋在表面的小衰变贡献之间的竞争。这些观察结果表明,本地传感器的潜力,了解复杂系统,并阐明了改善和控制自旋量子位在表面的途径。
2021-03-23 cond-mat.mtrl-sci quant-ph
High-quality nanostructured diamond membranes for nanoscale quantum sensing
针对近表面NV中心量子传感器易受制备工艺损伤的问题,提出低损伤纳米结构金刚石膜制备工艺,可保留浅NV中心特性并实现光子增强,配套转移方法可适配多类传感目标。
2025-11-16 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci quant-ph
Time-resolved diamond magnetic microscopy of superparamagnetic iron-oxide nanoparticles
本文利用金刚石氮-空位中心磁显微镜对约30纳米超顺磁氧化铁纳米颗粒进行时间分辨宽场成像,揭示了单颗粒横向磁化、极低磁滞及高度不对称的B_c分布,并直接记录了毫秒至秒级的Néel弛豫过程。
2025-02-03 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci physics.ins-det
Imaging magnetism evolution of magnetite to megabar pressure range with quantum sensors in diamond anvil cell
本研究突破压力限制,开发出基于金刚石对顶砧量子传感器的兆巴级高灵敏度原位磁探测技术,观测到Fe₃O₄的多步磁性转变,为高压块体材料磁微观结构研究及相关机制理解提供新方法。
2023-06-13 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph quant-ph
Wide-Field Strain Imaging with Preferentially-Aligned Nitrogen-Vacancy Centers in Polycrystalline Diamond
我们报告宽场光学检测磁共振成像的氮空位中心(NVs)在IIa型多晶金刚石。这些研究揭示了一个异质的结晶环境,产生不同密度的NV中心,包括一些个别晶粒内的优先取向,但保留长的自旋相干时间。使用本机NV作为纳米级传感器,我们介绍了一种三维应变成像技术,具有高灵敏度($< 10^{-5}$ Hz $^{-1/2}$)和衍射限制的分辨率在宽视场。
2016-11-03 cond-mat.mtrl-sci quant-ph
Efficient and all-carbon electrical readout of a NV based quantum sensor
本研究通过氙聚焦离子束在金刚石上制备石墨平面电极,实现了基于 NV 中心系综的光电导自旋读出,为构建全碳金刚石量子传感器提供了高效电学读出技术。
2022-12-20 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph quant-ph
Nanoscale covariance magnetometry with diamond quantum sensors
金刚石中的氮空位(NV)中心是具有长自旋相干时间的原子级缺陷,可用于以高灵敏度和空间分辨率感测磁场。通常,通过对具有单个NV中心的许多连续测量进行平均来测量单个点处的磁场投影,或者通过对许多NV中心的集合进行空间平均来重构磁场分布。在对许多单NV中心实验求平均值时,两种技术都丢弃了信息。在这里,我们提出并实现了一种新的传感方式,即两个或更多的NV中心同时测量,我们提取的时间和空间的相关性,否则将无法访问的信号。我们解析地推导出存在环境噪声、量子投影噪声和读出噪声时的可测量两点相关器。我们表明,优化读出噪声是至关重要的测量相关性,我们实验证明测量相关的应用噪声使用两个NV中心的自旋-电荷读出。我们还实现了一个频谱重建协议,以解开本地和非本地噪声源,并证明了独立控制的两个NV中心可以用来测量的时间结构的相关性。我们的协方差磁测量方案在研究时空结构因子和动力学方面有许多应用,并开辟了纳米传感的新前沿。
2022-09-19 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci quant-ph
High-pressure magnetic transition in iron observed via diamond quantum sensing
The University of Tokyo(东京大学);Graduate School of Engineering Science, The University of Osaka(大阪大学工程科学研究科);Geodynamics Research Center, Ehime University(爱媛大学地球动力学研究中心);Institute for Physics of Intelligence, The University of Tokyo(东京大学物理智能研究所);Trans-scale Quantum Science Institute, The University of Tokyo(东京大学跨尺度量子科学研究所)
利用钻石量子传感器在高压下精确测量铁的磁相变,揭示α-ε相变机制。
2026-05-01 cond-mat.mtrl-sci physics.app-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
Optimizing the formation of depth-confined nitrogen vacancy center spin ensembles in diamond for quantum sensing
金刚石中的氮空位(NV)中心的自旋系综正在成为强大的基于自旋的传感器,用于具有高空间和时间分辨率的磁场、电场和热场成像。在这里,我们的特点形成的深度限制NV中心合奏,激活的等离子体增强化学气相沉积与氮共掺杂生长的金刚石层中的电子辐照。要做到这一点,我们利用高磁灵敏度的合奏NV中心探测他们的自旋环境作为生长和辐照参数的函数。我们设计了一个NV系综,其磁灵敏度在静态NV-NV偶极相互作用极限的两倍之内,从而展示了一个强大的量子传感平台。
2019-01-31 cond-mat.mtrl-sci quant-ph
Diamond quantum thermometry: From foundations to applications
金刚石量子测温法利用了金刚石中颜色缺陷中心的光学和电学自旋特性,并作为一种量子传感方法,表现出高精度和鲁棒性。与现有的发光纳米测温技术相比,金刚石量子温度计可以在很宽的温度范围内工作,传感器空间尺度从纳米到微米不等。此外,金刚石量子温度测量在包括电子学和生物学在内的几个应用中被采用,以利用纳米级温度测量来探索这些领域。本综述涵盖了基于自旋和全光学方法的金刚石量子测温的工作原理,金刚石材料的开发重点是测温,以及基于需求的技术要求在电气和生物系统中的应用实例。
2021-03-31 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci physics.bio-ph
Endoscopic fiber-coupled diamond magnetometer for cancer surgery
本文提出一种光纤耦合氮-空位中心磁力计,可在癌症手术中高灵敏度检测氧化铁示踪剂,检测限远低于推荐剂量,且尺寸适合内窥镜和腹腔镜使用。
2025-04-08 cond-mat.mtrl-sci physics.med-ph quant-ph
AC sensing using nitrogen vacancy centers in a diamond anvil cell up to 6 GPa
金刚石中的氮空位色心作为静态和动态磁场、电场、应变和热场的量子传感器引起了广泛的关注,特别是在金刚石压砧单元中的压力下的量子传感方面具有吸引力。基于光学的核磁共振在大于几个GPa的压力下是可能的,并且提供了对传统的基于法拉第感应的检测的有吸引力的替代方案。在这里,我们提出了交流传感的结果,并证明同步读出高达6 GPa,但发现,由于样品空间内的微波场和压力的不均匀性的灵敏度降低。这些实验使在高压下的纳升样品体积的全光学高分辨率磁共振的可能性。
2021-10-12 cond-mat.mtrl-sci quant-ph
Materials challenges for quantum technologies based on color centers in diamond
本文综述了基于金刚石色心(尤其是NV中心)的量子技术所面临的主要材料科学挑战与机遇,涵盖表征、生长、缺陷控制及制造等关键环节。
2021-06-22 cond-mat.mtrl-sci quant-ph
Enhanced quantum properties of shallow diamond atomic defects through nitrogen surface termination
Hebrew University(希伯来大学);Technion – Israel Institute of Technology(以色列理工学院)
本研究通过氮等离子体表面终止技术提升浅层金刚石NV中心的量子稳定性和相干性。
2023-01-31 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
Prediction and measurement of the size-dependent stability of fluorescence in diamond over the entire nanoscale
非细胞毒性金刚石纳米颗粒中的荧光缺陷是量子计算中的量子比特、生物医学成像中的光学标记和磁力测量中的传感器的候选者。对于每种应用,这些缺陷需要是光学和化学稳定的,并且以合适的浓度(单个或大量)包含在单个颗粒中。在这封信中,我们结合模拟,理论和实验,提供第一个全面和通用的预测的尺寸,温度和氮浓度依赖的光学活性NV缺陷的稳定性纳米金刚石。
2009-08-24 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci q-bio.QM
Imaging graphene field-effect transistors on diamond using nitrogen-vacancy microscopy
已经提出了基于金刚石中的氮空位(NV)传感器的集合体的成像技术应用于微电子器件,但是NV感测与操作门控器件的兼容性仍然在很大程度上未被探索。在这里,我们直接在金刚石表面上制造石墨烯场效应晶体管(GFET),并通过NV显微镜对其进行观察。门控石墨烯内的电流密度是根据NV磁力测量法在主要是p型和n型掺杂下重建的,但发现确切的掺杂水平受到测量的影响。此外,我们观察到一个令人惊讶的大调制的电场在金刚石表面下施加的栅极电位,看到在NV光致发光和NV电测量,表明氧化物-石墨烯-金刚石结构的复杂的静电响应。可能的解决方案,以减轻这些影响进行了讨论。
2019-05-30 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci physics.app-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
Detection and control of single proton spins in a thin layer of diamond grown by chemical vapor deposition
我们报道了利用金刚石中氮空位中心的电子自旋作为量子传感器来探测和相干控制单个质子核自旋。除了通过采用多脉冲序列确定NV-质子超精细参数外,我们还对单质子自旋进行了相干旋转,并检测到了诱导的自由进动。自由感应衰变的观测是高分辨质子核磁共振的重要组成部分,本文将其扩展到原子尺度。我们还讨论了质子的起源,在化学气相沉积生长过程中,这提供了一个机会,使用金刚石中的质子作为内置的量子存储器耦合的NV中心。
2020-09-17 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci quant-ph
Nanoscale sensing based on nitrogen vacancy centersin single crystal diamond and nanodiamonds:achievements and challenges
在仪器、材料和理论描述的共同发展的推动下,固体中量子发射体的传感和成像能力在过去二十年中显著提高。固体中的量子发射体,其性质类似于原子和离子,提供了另一种方法来探测自然和人工纳米系统,具有最小的干扰和最终的空间分辨率。在这些新兴的量子发射体中,金刚石中的氮空位色心是一个突出的例子,因为它在室温下具有固有的性质(高发光、光稳定、生物相容、高相干自旋态)。本文综述了纳米金刚石和单晶金刚石中NV中心在传感和成像方面的最新进展和成就。我们还强调了不同类型钻石的普遍挑战和材料方面,并概述了使用颜色中心作为传感器时要考虑的主要参数。作为一种新型的传感资源,我们突出的NV centersas发光电偶极子和它们的耦合到其他纳米级偶极子,如石墨烯的属性。
2019-09-09 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph