Charge State Dynamics and Optically Detected Electron Spin Resonance Contrast of Shallow Nitrogen-Vacancy Centers in Diamond
金刚石中的氮空位（NV）中心可用于具有原子分辨率和灵敏度的纳米级传感;然而，已经观察到它们的性质随着它们接近金刚石表面而降低。在这里，我们报告说，除了退化的自旋相干性，NV中心在纳米的表面也可以表现出降低的荧光对比度的光学检测电子自旋共振（OD-ESR）。我们证明，这种降低的OD-ESR对比度来自NV中心的电荷态动力学，并且它具有强烈的表面依赖性，这表明表面工程对于基于金刚石色心的纳米级传感应用至关重要。
2020-05-05 cond-mat.mtrl-sci quant-ph
Computing Using Shallow NV-Center Charges in Diamond
本文将施主-受主对偶极耦合推广到任意掺杂剂分布，证明金刚石浅层NV中心电荷态可用于量子计算，并指出中性电荷态电致发光可实现电荷接口。
2024-05-05 cond-mat.mtrl-sci
Extended T2 times of shallow implanted NV in chemically mechanically polished diamond
该研究证明化学机械抛光（CMP）工艺可在工业可扩展条件下将浅层注入NV色心的自旋寿命提升至13C限制水平，T2中位数达355微秒，优于ICP-RIE处理方法。
2024-05-17 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
Generation of Tin-Vacancy Centers in Diamond via Shallow Ion Implantation and Subsequent Diamond Overgrowth
金刚石中的IV族色心由于其作为光学活性固态自旋量子比特的潜力而引起了人们极大的兴趣。此类发射器的未来利用需要开发与高质量纳米光子器件兼容的精确现场控制发射器生成技术。这项任务是更具挑战性的颜色中心与大IV族杂质原子，这是有希望的，因为它们的预测长自旋相干时间没有稀释冰箱。例如，当应用于带负电荷的锡空位（SnV $^-$）中心时，常规的位点控制色心产生方法要么损坏金刚石表面，要么产生具有无法解释的特征的体光谱。在这里，我们展示了一种新的方法来产生网站控制的SnV $^-$中心与干净的散装光谱。我们通过薄的注入掩模浅注入Sn离子，随后通过化学气相沉积生长一层金刚石。这种方法可以推广到其他色心，并与量子纳米光子器件的制作相结合。
2020-02-19 cond-mat.mes-hall 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
Engineering shallow spins in diamond with nitrogen delta-doping
我们证明了纳米精度的深度控制的氮空位（NV）中心的表面附近的合成金刚石使用原位氮δ掺杂技术在等离子体增强化学气相沉积。尽管它们接近表面，但深度（d）在5 - 100 nm范围内的掺杂NV中心显示出长的自旋相干时间，在d = 5 nm处T2 > 100 \mus，在d \geq 50 nm处T2 > 600 \mus。在这种浅NV中心中观察到的一致的长自旋相干性使得诸如原子级外部自旋传感和混合量子架构的应用成为可能。
2012-07-11 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci quant-ph
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
High-Efficiency, High-Fidelity Charge Initialization of Shallow Nitrogen Vacancy Centers in Diamond
针对浅氮空位中心，提出一种基于多色激发的高效高保真电荷初始化协议，在300 μs内实现95%保真度，为纳米尺度传感应用扫除了态制备误差的扩展障碍。
2025-05-31 cond-mat.mtrl-sci 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
Effect of fluorinated diamond surface on charge state of nitrogen-vacancy centers
研究了氟封端金刚石表面对浅氮空位缺陷中心带电状态的影响。氟化是实现与CF 4等离子体和表面化学确认与X-射线光电子能谱。这些合奏NV的光致发光显示，氟处理的表面导致更高的带负电荷的氮空位（NV-）人口比氧终止的表面。使用表面化学来控制NV电荷，特别是增加NV中心的密度，是朝着改善用于量子信息处理和磁性感测的NV的光学和自旋性质的重要步骤。
2013-04-04 cond-mat.mtrl-sci
An integrated ultrahigh vacuum cluster tool for diamond surface science and single nitrogen-vacancy center measurements
Princeton University（普林斯顿大学）；IBM T.J. Watson Research Center（IBM托马斯·J·沃森研究中心）
本文介绍一种定制设计的超高真空簇工具，可在同一平台内原位进行金刚石表面制备、表征和单NV中心动力学测量，用于研究表面化学与NV自旋/电荷性质之间的直接关联。
2026-06-15 cond-mat.mtrl-sci quant-ph
Augmenting the spin properties of shallow implanted NV-centers by CVD-overgrowth
基于金刚石缺陷中心的量子寄存器的受控缩放依赖于以高空间分辨率定位NV的能力。使用离子注入，可以以低于20nm的精度放置浅（<10nm）NV，但是与体NV相比，通常显示出降低的自旋性质。我们证明了增强的自旋特性浅注入NV中心使用过生长技术。相干时间提高了一个数量级（T_2 = 250 μs）。缺陷自旋的动态解耦实现ms退相干时间。这项研究标志着朝着实现纳米精度定位的缺陷之间的强耦合又迈出了一步。
2012-08-21 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
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
Efficient creation of shallow NV$^-$ ensembles by high-angle ion implantation
The University of Tokyo（东京大学）；National Institute of Advanced Industrial Science and Technology（国立产业技术综合研究所）；National Institute for Materials Science（国立材料研究所）
本文通过高角度离子注入（>60°）提高浅层NV$^-$中心的制备效率，实现近10%产率和低于10nm深度，且相干性质优异，可用于检测范德瓦尔斯材料中的核自旋。
2026-09-22 cond-mat.mtrl-sci quant-ph
Long-distance excitation of nitrogen-vacancy centers in diamond via surface spin waves
介尺度上的相干通信是固态自旋量子比特应用于可扩展量子信息处理的必要条件。在研究中的其他路线，一种可能性需要产生静磁表面自旋波（MSSW）偶极耦合到宽带隙半导体中的浅顺磁缺陷。作为在这个方向上的第一步，在这里，我们利用室温MSSW调解从天线的微波场和金刚石中的氮空位（NV）中心的自旋之间的相互作用。我们表明，这种运输跨越的距离超过3毫米，表现出的MSSW的鲁棒性和长扩散长度。使用NV自旋作为本地传感器，我们发现MSSW振幅随所施加的微波功率线性增长，这表明这种方法可以扩展到将来自相邻自旋量子位的信号放大几个数量级。
2017-08-02 cond-mat.mtrl-sci
Single Color Centers Implanted in Diamond Nanostructures
单色心光学金刚石纳米结构材料加工技术的发展是量子科学与技术中的一个重要问题。在这项工作中，我们提出了离子注入和自上而下的金刚石纳米纤维在两种情况下的组合：金刚石纳米柱和金刚石纳米线。第一种器件由“浅”注入（~ 20 nm）组成，以在金刚石晶体的顶面附近产生氮空位（NV）色心。然后通过在金刚石表面中干法蚀刻规则的纳米柱阵列来机械地隔离各个NV中心。光子反聚束测量表明，高产量（>10%）的设备包含一个单一的NV中心。第二个器件展示了单个NV中心到预制金刚石纳米线中的“深”（~1μm）注入。纳米线几何形状的高单光子通量，结合超纯金刚石的低背景荧光，使我们能够维持强光子反聚束，即使在高泵浦功率。
2010-09-21 cond-mat.mtrl-sci quant-ph
Surface coupling of NV centers over nanoscale lengths
本研究针对金刚石浅NV-色心因表面耦合退相干的问题，通过计算不同表面取向与终端下亚表面NV-色心的准粒子态，明确了稳定NV-色心的最小埋深理论极限，为量子传感器设计提供指导。
2025-05-16 cond-mat.mtrl-sci
Additive solid immersion lenses for enhanced collection efficiency of shallow NV centers by pulsed laser deposition and structurization of high-k amorphous oxides
Leipzig University（莱比锡大学）；Felix Bloch Institute, Leipzig University（莱比锡大学费利克斯·布洛赫研究所）；SaxonQ GmbH（萨克森量子有限公司）；Department of Prosthetic Dentistry and Dental Material Science, Leipzig University（莱比锡大学假肢牙科与牙科材料科学系）
本文提出基于高介电常数YSZ的加法式固体浸没透镜，通过脉冲激光沉积和光刻工艺，使浅层NV色心饱和强度平均提升63%，所需激光强度降低33%。
2026-10-02 cond-mat.mtrl-sci physics.optics 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
Towards wafer-scale diamond nano- and quantum technologies
我们调查原生氮（NV）和硅空位（SiV）色心在市售的，异质外延，晶圆大小，毫米厚，单晶金刚石。我们观察到单一的，原生NV中心的密度约为1 NV每$μm^3$和适度的相干时间（$T_2 = 5 μs$）嵌入在一个合奏的SiV中心。SiV零声子线精细结构的低温光谱证明了金刚石的高结晶质量，特别是靠近生长表面，与降低的位错密度一致。使用离子注入和等离子体刻蚀，我们验证了制造浅色心纳米结构的可能性，使我们的金刚石材料有望用于制造纳米级传感器件。由于这种金刚石的晶片尺寸高达$100 mm$，因此它提供了扩大金刚石基器件制造的机会。
2018-10-22 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph physics.optics
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
Surface adsorbates suppress low-frequency noise for shallow nitrogen-vacancy centers
Princeton University（普林斯顿大学）；University of Iowa（爱荷华大学）；IBM T.J. Watson Research Center（IBM T.J.沃森研究中心）；Eindhoven University of Technology（埃因霍温理工大学）
本研究通过超高真空与环境条件对比实验，发现表面吸附物可抑制浅NV中心的低频噪声，揭示了其在调控噪声环境中的复杂作用，为纳米量子传感提供重要参考。
2026-08-04 cond-mat.mtrl-sci quant-ph
Field-effect detected magnetic resonance of NV centers in diamond based on all-carbon Schottky contacts
本研究针对金刚石NV中心自旋态电学读取的集成性与性能优势，探究光照下石墨-金刚石-石墨全碳结构特性，揭示NV系综产生的电子-空穴对使IIa型金刚石呈p型、结构等效双肖特基二极管，分析反向电流随偏压和射频自旋共振的变化，证明光照引发的场效应可使光电信号超光信号。
2025-04-15 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph quant-ph
Diamond Surface Functionalization via Visible Light-Driven C-H Activation for Nanoscale Quantum Sensing
本研究提出一种可见光驱动的C-H键活化策略，在环境条件下直接功能化单晶金刚石表面，兼容近表面电荷稳定的NV中心，实现纳米尺度核磁共振化学传感与单分子光谱分析。
2023-09-13 cond-mat.mtrl-sci quant-ph
Single Nitrogen-Vacancy-NMR of Amine-Functionalized Diamond Surfaces
金刚石中浅氮空位（NV）中心的核磁共振（NMR）成像提供了一条令人兴奋的途径，可以在纳米尺度上进行灵敏和局部的化学表征。已经取得了显着的进展，打击退化的相干时间和稳定性遭受近表面NV中心使用合适的化学表面终止。然而，还需要能够对吸附的分子密度、取向和结合构型进行鲁棒控制的方法。我们展示了用于混合氮和氧终止的金刚石表面制备，其同时提高了<10 nm深的发射器的NV中心相干时间，并通过胺反应性交联实现了直接和可回收的化学官能化。使用这种方法，我们探测嵌入纳米柱波导中的单个NV中心，以执行CA中共价结合的三氟甲基标签的$^{19}\mathrm{F}$ NMR传感。50-100分子方案。这项工作标志着在单分子水平上实现核自旋定位和结构询问的重要一步。
2022-02-08 cond-mat.mtrl-sci quant-ph
Tunable Valley Polarization in Diamond
Uppsala University（乌普萨拉大学）
本文提出一种基于金刚石的谷晶体管，通过双门双漏架构实现谷极化传输的可调制，展示了金刚石在量子和高功率电子器件中的潜力。
2026-04-07 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
Near-field energy transfer between a luminescent 2D material and color centers in diamond
荧光探针之间的能量转移是许多应用的核心，从生物传感和成像到增强的光检测和光捕获。在这项工作中，我们研究了金刚石中的浅缺陷--氮空位（NV）中心--和原子级薄的二维材料--二硒化钨（WSe $_2$）之间的Förster共振能量转移（FRET）。通过荧光寿命成像，我们证明了FRET的发生在WSe $_2$ /NV系统。此外，我们表明，在耦合系统中，NV中心提供了一个额外的激发途径WSe $_2$光致发光。我们的研究结果构成了实现涉及单晶金刚石和二维材料的混合量子系统的第一步，这可能会导致研究和控制自旋转移现象和自旋谷物理的新策略。
2019-10-24 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
Second-Harmonic Generation in Bulk Diamond Based on Inversion Symmetry Breaking by Color Centers
固体中反转对称性的破缺在非线性光学中起着核心作用，因为它可以改变材料性质，例如产生偶数阶非线性光学（NLO）效应。虽然中心对称金刚石已被开发为光子平台，包括波导和光源，但大块金刚石中的非线性光学效应仅限于三阶。因此，利用更强大的二阶NLO效应，例如二次谐波产生（SHG），仍然具有挑战性。在这里，我们探讨了在大块金刚石的色心，氮空位中心的破缺诱导的二阶非线性光学效应。用超短激光脉冲激发，同时观察到SHG和三次谐波产生（THG），表现出特征强度图案，这取决于激发通量和光偏振角。我们发现，SHG作为源的THG的级联过程。我们的研究结果将提供基于金刚石色心的非线性光学效应的量子传感，例如在纳米尺度上通过电光效应对电磁场进行成像。
2022-03-18 cond-mat.mtrl-sci physics.optics
Fabrication of thin diamond membranes by Ne$^+$ implantation
本文提出用Ne$^+$注入替代He$^+$ smart-cut制备薄金刚石膜，通过实验与SRIM模型确定临界损伤阈值，使所需离子注量降低十倍并能在相同能量下获得更薄膜。
2023-05-30 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
Multimode Jahn-Teller Effect in Negatively Charged Nitrogen-Vacancy Center in Diamond
Hainan University（海南大学）；Iowa State University（爱荷华州立大学）；Xiamen University（厦门大学）；TU Delft（代尔夫特理工大学）
本研究通过从头原理方法揭示了金刚石中负电荷NV中心的多模式詹-特勒效应，解析了振动模式对JT动态的贡献，并提供了关于退相干和固态量子技术相关动态的新见解。
2026-01-31 cond-mat.mtrl-sci physics.comp-ph quant-ph
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
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
Detecting nitrogen-vacancy-hydrogen centers on the nanoscale using nitrogen-vacancy centers in diamond
本文利用金刚石薄层中的 NV 中心作为纳米传感器，结合 DEER 技术实现对 NVH⁻ 中心的纳米尺度探测与定量，从而为高 NV 浓度金刚石的 CVD 生长优化提供快速反馈方法。
2023-11-30 cond-mat.mtrl-sci quant-ph
Diamond quantum sensing at record high pressure up to 240 GPa
本研究通过离子注入结合高压高温退火制备浅氮-空位中心，将金刚石量子传感的压力上限突破至240 GPa，并在180 GPa下观测到钛超导转变的迈斯纳效应，为高压量子现象研究提供新手段。
2025-10-30 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.supr-con physics.app-ph
Probing the fluctuating magnetic field of Fe-triazole spin-crossover thin-layers with nitrogen-vacancy centers in diamond
本研究针对Fe-三唑自旋交叉薄层的磁探测需求，采用金刚石氮空位中心量子磁强计，在室温下通过$T_1$、$T_2$测量及宽场技术，揭示其顺磁特性、波动磁场规律及结构变化的主导作用，突显NV中心的传感能力并指出自旋切换观测的挑战。
2024-11-15 cond-mat.mtrl-sci quant-ph
