Generation of nitrogen-vacancy ensembles in diamond for quantum sensors: Optimization and scalability of CVD processes
金刚石中的氮空位（NV）中心的集合体是实用量子传感器的领先平台。具有所需性能的NV系综的可重复和可扩展制造至关重要。这项工作通过开发化学气相沉积（CVD）合成工艺来解决这些挑战，以大规模生产具有针对目标NV密度的改善的NV系综性质的金刚石材料。在这项工作中报告的材料，使当前设备的灵敏度立即改善。此外，在这项工作中建立的技术，在CVD合成过程的不同阶段的材料和传感器表征提供指标，为未来的努力，针对其他NV密度或样品的几何形状。
2020-04-03 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci quant-ph
Fiberized diamond-based vector magnetometers
我们提出了两个光纤化矢量磁场传感器，基于金刚石中的氮空位（NV）中心。传感器具有sub-nT/ $\sqrt{\textrm{Hz}}$磁灵敏度。我们使用市售的组件来构建具有小传感器尺寸、高光子收集和最小传感器-样品距离的传感器。这两个传感器都位于光纤的末端，传感器头可自由接近，并且在移动时坚固耐用。这些特性使其成为高灵敏度和高空间分辨率（$\leq$ \，mm）磁场标测的理想选择。作为演示，我们使用其中一个传感器来绘制$\geq$ 100\，mT Halbach阵列的孔内的矢量磁场。矢量场感测协议将处理所有菱形轴并包括双量子跃迁的微波光谱数据转换为3D磁场矢量。
2021-03-01 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
Hybrid quantum magnetic field sensor with an electron spin and a nuclear spin in diamond
最近，基于金刚石中氮空位（NV）中心的电子自旋的磁场传感器已经从实验和理论的角度被研究。这个系统提供了一个纳米级的磁力计，并且可以检测单个自旋的进动。在本文中，我们提出了一个传感器组成的电子自旋和核自旋的钻石。虽然电子自旋与磁场有合理的相互作用强度，但自旋的相干时间相对较短。另一方面，核自旋具有更长的寿命，而自旋与磁场的相互作用可以忽略不计。我们表明，通过这样的两个不同的自旋通过超精细相互作用的组合，有可能构建一个磁场传感器的灵敏度远远超过以前的传感器，只使用一个单一的电子自旋。
2016-08-24 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
Picotesla magnetometry of microwave fields with diamond sensors
研制高性能的微波场传感器具有重要的理论意义和实际应用价值，其应用范围从天文学到通信工程。金刚石中的氮空位（NV）中心由于其磁敏感性、稳定性和与环境条件的兼容性而成为一个有吸引力的候选者。然而，现有的基于NV中心的磁力计在微波频带中具有有限的灵敏度。在这里，我们提出了一个连续的外差检测方法，可以提高传感器的响应弱微波，即使在没有自旋控制。实验上，我们实现了8.9 pT $\cdot$ Hz $^{-1/2}$的灵敏度为2.9 GHz的微波同时使用的$n_{\text{NV}} \sim 2.8\times10^{13}$ NV中心内的传感器体积$4\times10^{-2}$毫米$^3$的合奏。此外，我们还实现了频率分辨率的$1/t$缩放，测量时间$t$为10000 s。该方法消除了控制脉冲，有利于金刚石微波传感器的实际应用。
2022-08-11 quant-ph
Floquet Diamond Sensor with Optimal Precision
针对传统金刚石传感器在微波失谐时精度下降的问题，提出 Floquet 金刚石传感器，利用周期驱动匹配准能量并实现接近 Heisenberg 极限的鲁棒高精度振幅传感。
2025-10-04 quant-ph
Low-temperature tapered-fiber probing of diamond NV ensembles coupled to GaP microcavities
在这项工作中，我们提出了一个平台，用于测试腔发射器系统的设备性能，使用的合奏发射器和锥形光纤。该方法提供了腔模式的高对比度光谱，耦合到腔的发射器的选择性检测，以及在单发射器情况下的器件性能的估计。利用金刚石中的氮空位（NV）中心和GaP光学微腔，我们能够在10 K下将腔调谐到NV共振，将腔耦合发射耦合到锥形光纤，并测量光纤耦合NV自发发射衰减。从理论上讲，我们表明，光纤耦合的平均珀塞尔因子是2-3倍大于自由空间收集，虽然由于合奏平均它仍然是一个因素的3小于一个单一的，理想的中心珀塞尔因子。
2011-02-25 physics.optics quant-ph
All-in-one Quantum Diamond Microscope for Sensor Characterization
本文提出一种一体化量子金刚石显微镜，可同时成像并关联毫米级NV金刚石芯片的多种关键性质，包括光致发光、自旋弛豫时间、相干寿命及晶格应力与双折射，用于传感器表征。
2024-04-18 physics.ins-det physics.optics quant-ph
Probing charge dynamics in diamond with an individual color center
为了在量子技术中充分利用固体色心，控制它们的电荷状态是必要的。然而，宽带隙半导体中深缺陷的微观电荷动力学是复杂的，并且仍有许多未知之处。在这里，我们利用单个氮空位（NV）中心的Single Shot电荷状态读出来探测金刚石中周围缺陷的电荷动力学。我们表明，NV中心电荷状态可以通过捕获的缺陷的光学照明产生的孔转换许多微米远。利用这种方法，我们研究了硅空位（SiV）中心的光电荷转换，并提供了SiV中心在光照射下的暗态为SiV 2-的证据。这些测量结果表明，载流子的产生，运输和捕获是重要的考虑因素，在量子器件的设计和实施的色心，并提供了一种新的方式来探测和控制钻石中的电荷动力学。
2021-06-09 cond-mat.mes-hall quant-ph
A Coherence-Protection Scheme for Quantum Sensors Based on Ultra-Shallow Single Nitrogen-Vacancy Centers in Diamond
针对超浅NV中心自旋相干受表面核磁噪声限制的问题，提出利用表面应变与小磁场协同作用，在富集$^{12}$C金刚石中显著延长1纳米深NV中心相干时间，并扩展至天然金刚石实现纳米矢量磁测量。
2025-01-21 quant-ph
Probing Many-Body Phenomena with Atomically Thin Nuclear Spin Layers in Diamond
Ulm University（乌尔姆大学）；Center for Integrated Quantum Science and Technology (IQST)（集成量子科学与技术中心）；Diatope GmbH（Diatope有限公司）；Universidad de Murcia（穆尔西亚大学）
本文提出基于金刚石中薄层强相互作用¹³C核自旋的平台，在室温下通过NV中心实现极化、读出和相干控制，研究可调相互作用下的离散时间晶体序。
2026-06-15 quant-ph
Engineering and Probing a One-Dimensional Dipolar Spin Ensemble in Diamond
University of California, Santa Barbara（加州大学圣塔芭芭拉分校）；California Institute of Technology（加州理工学院）；Stanford University（斯坦福大学）；Harvard University（哈佛大学）；Boston University（波士顿大学）；Max-Planck-Institut für Physik Komplexer Systeme（马克斯·普朗克复杂系统物理研究所）
本研究在金刚石中工程化并表征了由P1中心构成的准一维偶极自旋链，利用相关谱学探测其自旋动力学，为低维量子自旋系统提供了材料学途径。
2026-09-18 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci quant-ph
Lock-in thermography using diamond quantum sensors
在许多研究领域中，精确测量微观区域的温度分布和热行为至关重要。我们展示了锁定在热成像使用金刚石纳米粒子中的氮空位中心。我们成功地可视化玻璃盖玻片和聚四氟乙烯的热扩散与微米分辨率，并推导出它们的热扩散率。通过将金刚石纳米颗粒散布在样品表面，可以直接测量温度变化，而无需任何物理接触，例如引线，从而可以可视化各种材料的微米级热行为。
2022-12-15 cond-mat.mes-hall physics.app-ph quant-ph
CMOS-Integrated Diamond Nitrogen-Vacancy Quantum Sensor
金刚石中的氮空位（NV）中心已经成为一种领先的固态量子传感器，用于包括磁力测量，电学测量，温度测量和化学传感在内的应用。然而，对于实际应用的突出挑战是，现有的基于NV的感测技术需要用于自旋控制和检测的庞大且分立的仪器。在这里，我们解决这个挑战，通过集成NV为基础的量子传感与互补金属氧化物半导体（CMOS）技术。通过量身定制的CMOS集成微波发生和光电探测，这项工作大大减少了量子磁力测量和温度测量的仪器足迹。这种混合金刚石-CMOS集成实现了用于量子传感和量子信息处理的超紧凑和可扩展平台。
2018-10-02 physics.app-ph quant-ph
Microelectronic readout of a diamond quantum sensor
针对金刚石NV中心量子传感器小型化中发光检测受限的问题，研究采用CMOS器件实现NV系综PDMR，达到50飞安低噪声数字化读出，适用于多模式量子传感，补上了紧凑型金刚石量子传感器的关键组件。
2024-03-06 quant-ph
Advances in nano- and microscale NMR spectroscopy using diamond quantum sensors
量子技术在过去几年中发展迅速。尽管量子传感器经常被量子计算所掩盖，但它在化学和生物学领域的广泛应用中显示出巨大的潜力。有一个系统特别突出：金刚石中的氮空位（NV）中心，一个原子大小的传感器，允许检测核磁共振（NMR）信号，其长度前所未有地缩小到单个质子。在这篇文章中，我们回顾了基于NV中心的量子传感的基本原理及其对纳米到微米尺度NMR光谱的显著影响。此外，我们强调并讨论了这种新技术未来可能的应用，包括能源研究，材料科学或单细胞生物学，以及这些快速发展的NMR传感器的相关挑战。
2022-05-27 physics.chem-ph quant-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
Local nanoscale probing of electron spins using NV centers in diamond
本研究利用氦离子显微镜制备局域NV中心系综，并结合DEER技术与数值模拟，实现了对金刚石中低浓度氮及注入诱导顺磁缺陷的纳米尺度定量探测。
2025-07-28 cond-mat.other quant-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
One- and two-dimensional nuclear magnetic resonance spectroscopy with a diamond quantum sensor
我们报告的傅立叶光谱实验进行了近表面的氮空位中心的金刚石芯片。通过检测核自旋的自由旋进，而不是应用多脉冲量子传感协议，我们能够明确地识别没有谐波的NMR种类。我们进一步表明，通过工程不同的哈密顿在自由进动，超精细耦合参数以及核拉莫尔频率可以选择性地测量高精度（这里5位数）。这些协议可以结合起来演示二维傅立叶光谱。该技术将有助于绘制分子中的核坐标，从而对其原子结构进行成像。
2015-12-10 quant-ph
Biocompatible surface functionalization architecture for a diamond quantum sensor
量子精密测量使一些最精确的测量成为可能。在生命科学中，基于金刚石的量子传感已经成为一类新的生物物理传感器和诊断设备，正在研究作为癌症筛查和超灵敏免疫测定的平台。然而，基于纳米级核磁共振光谱学的生命科学中的更广泛的应用受到了阻碍，因为需要将高灵敏度的量子位（qubit）传感器与其生物目标进行接口。在这里，我们展示了一种新的方法，该方法将量子工程与单分子生物物理学相结合，将单个蛋白质和DNA分子固定在大块金刚石晶体的表面上，该晶体具有相干的氮空位量子比特传感器。我们的薄（低于5 nm）功能化架构提供了对蛋白质吸附密度的精确控制，并导致近表面量子位相干性接近100 μs。开发的架构在生理条件下保持化学稳定超过五天，使我们的技术与大多数生物物理和生物医学应用兼容。
2021-08-10 physics.bio-ph quant-ph
Diamond quantum magnetometer with dc sensitivity of < 10 pT Hz$^{-1/2}$ toward measurement of biomagnetic field
本文提出一种基于金刚石(111)中氮-空位中心系综的金刚石量子磁力计，在5–100 Hz近直流频段实现9.4 ± 0.1 pT/√Hz灵敏度，并证明经数千秒探测可检测0.3 pT磁场，推动生物磁场等实际应用。
2023-09-08 physics.app-ph quant-ph
Nitrogen vacancy centers in diamond as angle-squared sensors
氮空位（NV）中心是金刚石中的缺陷，由于其电子结构，已被广泛研究作为磁场传感器。这种场检测应用通常采用NV中心来检测与NV中心的内部限定的自旋轴的方向对准的场分量。在这项工作中，我们检测的磁场是稍微偏离NV中心轴。特别是，我们证明了NV中心可以测量磁场和NV中心轴之间的角度的平方，具有高灵敏度，其随着外部场接近由NV中心的内部参数预定义的值而发散，与预测一致。这些结果表明，NV中心可以用作灵敏的传感器，用于对纳米机械振荡器等系统进行量子非破坏（QND）测量。
2016-06-06 cond-mat.mes-hall 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
High-quality nanostructured diamond membranes for nanoscale quantum sensing
Princeton University（普林斯顿大学）；University of Basel（巴塞尔大学）
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
Level anti-crossings of an NV center in diamond: Decoherence-free subspaces and 3D sensors of microwave magnetic fields
金刚石中的氮空位（NV）中心已成为量子技术的重要工具。所有这些应用都依赖于与这些中心相关的电子和核自旋的长相干时间。本文研究了在静态小磁场中金刚石中NV中心与第一壳层13 C核自旋耦合的能级反交叉。由于哈密顿量的强非长期分量，这些水平反交叉发生在静态磁场的特定方向上。在这些取向上，我们观察到了无退相干子空间，其中电子自旋相干时间（T_2 ~*）比其它取向上的长5-7倍。另一个有趣的性质，在这些水平的反交叉是，个别跃迁振幅占主导地位的磁偶极矩的一个单一的组成部分。因此，这可以用于具有单个NV中心的微波磁场的矢量检测。这对于使用数字最优控制技术精确控制中心尤其重要。
2019-08-21 quant-ph
A Highly Sensitive Diamond NV Magnetometer Using Ramsey Interferometry with a Short Sensor-to-Sample Distance
Institute of Science Tokyo（东京科学大学）；National Institute for Materials Science（国立材料研究所）；University of Tsukuba（筑波大学）；National Institutes for Quantum Science and Technology（国立量子科学技术研究院）；Tohoku University（东北大学）；DENSO CORPORATION（电装株式会社）
本文提出一种基于 Ramsey 干涉的高灵敏度钻石 NV 磁强计，通过光陷阱钻石波导技术实现高光子转换效率，同时获得高灵敏度和低温度升高，适用于生物磁学应用。
2026-03-14 quant-ph
Environment-assisted quantum-enhanced sensing with electronic spins in diamond
基于电子自旋缺陷的固态量子传感器的性能通常受到环境自旋杂质的限制，这些杂质会导致退相干。改进这些量子传感器的一个有前途的方法是将环境自旋转换为有用的传感资源。在这里，我们证明了一个未知的电子自旋缺陷附近的氮空位中心的金刚石作为量子传感器和量子存储器的有效利用。我们首先实验评估的改善磁场传感提供的两个电子自旋的混合纠缠态。我们的研究结果严格强调了增加自旋传感器数量的预期优势与增加控制误差，退相干率和时间开销相关的典型挑战之间的权衡。尽管如此，通过利用自旋缺陷作为量子传感器和量子存储器，其状态可以被重复测量以提高读出保真度，我们可以实现比使用单自旋传感器的性能增益。这些结果表明，有效地利用可用的量子资源可以增强量子器件，指出了一种实用的策略，通过利用环境自旋缺陷实现量子增强传感和信息处理。
2018-11-23 quant-ph
Measurements of spin-coherence in NV centers for diamond-based quantum sensors
实现量子协议和量子信息处理（QIP）的最大挑战之一是实现长相干时间，通常需要超低温系统。金刚石中的氮空位（NV）中心是解决这一问题的一个很有前途的选择。由于其自旋特性，易于操作，以及进行光学状态初始化和读出的可能性，它很快成为室温下QIP的最佳固态自旋系统之一。在这里，我们提出了一个工程样品的超纯金刚石的NV中心的合奏的自旋相干性的表征作为量子精密测量的量子协议的测试平台。
2022-09-12 physics.app-ph physics.atom-ph physics.ins-det
Probing the Origins of Inhomogeneous Broadening in Nitrogen-Vacancy Centers with "Doppler-Free" Type Spectroscopy
为了更好地理解金刚石中氮空位中心的基本物理过程，并实现该系统在技术应用中的改进，必须对表观不均匀加宽的起源获得新的见解。在这项工作中，我们利用一种新型的光谱专门为此任务开发。泵浦-探测光谱学与原子蒸气中使用的无多普勒光谱学密切相关。我们表明，起源的不均匀加宽来自本地磁场变化的金刚石晶格。
2018-07-24 cond-mat.mes-hall quant-ph
Hybrid sensors based on colour centres in diamond and piezoactive layers
利用纳米器件和高空间分辨率测量压力、力、电场和温度等微弱信号的能力在基础科学和应用科学中提供了广泛的应用。在这里，我们提出了一个建议的混合装置组成的薄膜层的金刚石植入的色心和压电活性元件的各种物理信号的转换和测量。压磁层对外加应力或由电场和温度变化引起的应力的磁响应对金刚石中氮空位中心的自旋性质有显著影响。在环境条件下，现实的环境噪声和材料缺陷，我们详细的数值研究表明，这种混合装置可以实现显着改善的灵敏度与纳米级空间分辨率相结合的纯金刚石为基础的方法。除了在量子传感中的应用之外，所提出的混合架构为纳米机械振荡器和固态自旋量子比特之间的工程强相干耦合提供了新的可能性。
2017-10-30 cond-mat.mes-hall quant-ph
SARS-CoV-2 quantum sensor based on nitrogen-vacancy centers in diamond
开发针对高传染性病毒SARS-CoV-2的高灵敏度和快速生物传感工具对于应对COVID-19大流行至关重要。量子传感器可以发挥重要作用，这要归功于它们卓越的灵敏度和近年来的快速改进。在这里，我们提出了一种分子换能器，设计用于纳米金刚石中的氮空位（NV）中心，将SARS-CoV-2 RNA的存在翻译成可以光学读取的明确的磁噪声信号。我们评估了混合传感器的性能，包括其灵敏度和假阴性率，并将其与广泛的诊断方法进行比较。所提出的方法是快速的，并有望达到灵敏度下降到几百个RNA拷贝与假阴性率小于1%。所提出的混合传感器可以进一步利用不同的固态缺陷和基底来实现，推广到诊断其他RNA病毒，并与CRISPR技术集成。
2021-11-10 physics.bio-ph quant-ph
Nuclear Spin Gyroscope based on the Nitrogen Vacancy Center in Diamond
旋转传感器是惯性导航系统的关键元件之一，并补充了用于各种应用的大多数手机传感器组。目前，廉价和有效的解决方案是机械电子设备，但缺乏长期稳定性。基于基本粒子自旋的旋转传感器的实现可能成为此类设备的无漂移替代方案。在这里，我们进行了一个概念验证实验，证明旋转测量的旋转设置利用核自旋的合奏NV中心作为传感元件，没有固定的参考。该测量通过市售的MEMS陀螺仪进行验证。
2021-11-08 quant-ph
Simultaneous nanorheometry and nanothermometry using intracellular diamond quantum sensors
Cavendish Laboratory, University of Cambridge（剑桥大学卡文迪许实验室）
本文提出一种钻石量子传感器，用于同时测量细胞内温度和黏弹性，揭示活细胞中的主动运输和黏弹性特性。
2023-06-29 physics.bio-ph quant-ph
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
Parallel accelerated electron paramagnetic resonance spectroscopy using diamond sensors
CAS Key Laboratory of Microscale Magnetic Resonance and School of Physical Sciences, University of Science and Technology of China（中国科学院微观磁学共振重点实验室和物理科学学院，中国科学技术大学）；Anhui Province Key Laboratory of Scientific Instrument Development and Application, University of Science and Technology of China（安徽省科学仪器开发与应用重点实验室，中国科学技术大学）；Hefei National Laboratory, University of Science and Technology of China（合肥国家实验室，中国科学技术大学）；School of Biomedical Engineering and Suzhou Institute for Advanced Research, University of Science and Technology of China（生物医学工程学院和苏州高等研究院，中国科学技术大学）；Institute of Quantum Sensing and School of Physics, Zhejiang University（量子传感研究所和物理学院，浙江大学）；CAS Center for Excellence in Quantum Information and Quantum Physics, University of Science and Technology of China（中国科学院量子信息与量子物理学卓越创新中心，中国科学技术大学）
利用钻石传感器实现零场交叉弛豫EPR光谱学，提高集体NV中心的EPR测量效率和鲁棒性。
2025-12-10 physics.bio-ph physics.chem-ph quant-ph
Optimization of the sensitivity of a temperature sensor based on germanium-vacancy color center (GeV) in diamond
本文比较了金刚石GeV色心温度传感器的零声子线测量法与二向色镜分束信号比值法，证明在约300 °C且滤波参数最优时，新方法灵敏度接近原方法两倍。
2024-12-06 physics.ins-det 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
Massively multiplexed nanoscale magnetometry with diamond quantum sensors
本文设计并实现了一种复用NV传感平台，利用低噪声相机并行读出数百个金刚石单个NV中心自旋态，实现与共聚焦测量相当的磁场灵敏度，并演示了复用协方差磁力测量，显著提升了纳米尺度传感的通量与应用范围。
2024-08-25 cond-mat.mes-hall quant-ph
Probing the Evolution of Electron Spin Wavefunction of NV Center in diamond via Pressure Tuning
理解量子比特波函数的轮廓是其量子应用的关键。与可以使用扫描隧道显微镜来探测电子分布的导电系统不同，对于宽带隙半导体中基于固态缺陷的量子比特，没有直接的方法。在这项工作中，我们使用压力作为调谐方法和核自旋作为原子尺度探针监测压力下金刚石中带负电荷的氮空位（NV）中心的超精细结构。本文详细研究了不同压强下NV心的光探测磁共振（ODMR）谱中最近邻$^{13}C$超精细分裂。通过研究加压后的$^{13}C$超精细相互作用，我们发现NV超精细参数有显著的变化，导致NV电子自旋密度的增加和从$sp^3$到$sp^2$键的再杂化。独立地进行NV中心的超精细能级的应变依赖性的$ab$ $initio$计算。在不引入任何拟合参数的情况下，理论计算结果与实验数据定性一致。此外，该方法也可用于研究其它缺陷体系中波函数的演化。这种潜在的能力可以发挥重要作用，在发展磁力和量子信息处理使用的缺陷中心。
2022-12-15 cond-mat.mes-hall 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
Self-aligned patterning technique for fabricating high-performance diamond sensor arrays with nanoscale precision
如何在纳米尺度上有效地将缺陷中心的产生与光子学结构相匹配，是实现高性能光子器件以及量子传感、可扩展量子系统、量子计算网络等量子技术应用面临的突出挑战之一。在此，我们提出了一种简单的自对准图形化技术，完全基于传统的工程技术，掺杂精度可以达到~ 15 nm。具体来说，我们证明了这种技术，通过制造金刚石纳米柱传感器阵列，这表明高一致性和接近最佳的光子计数，高产量接近理论极限，和高过滤效率为不同的NV中心。结合适当的晶体取向，实现了4.65 Mcps的饱和荧光速率和1900 cps^（-1/2）的最佳报道的荧光依赖检测灵敏度。这种技术适用于所有类似的固态系统，应促进并行量子传感和可扩展的信息处理的发展。
2022-03-17 physics.app-ph physics.optics quant-ph
Optical probing of phononic properties of a tin-vacancy color center in diamond
Humboldt-Universität zu Berlin（柏林洪堡大学）；Technische Universität München（慕尼黑工业大学）；Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf（德累斯顿罗森多夫亥姆霍兹中心）；University of Bayreuth（拜罗伊特大学）；Ferdinand-Braun-Institut (FBH)（费迪南德·布劳恩研究所）
通过光学方法研究金刚石中锡空位色心的相干特性，包括线宽展宽效应和基态轨道能级间的相干人口陷阱。利用谱分析确定声子耦合系数，并揭示轨道去极化时间尺度。
2026-06-05 physics.app-ph quant-ph
A fiber based diamond RF B-field sensor and characterization of a small helical antenna
提出了一种利用含氮空位中心的金刚石微晶附着在光纤尖端的微波B场扫描成像技术。我们提出了一种脉冲调制技术，实现了各种脉冲量子算法的状态操纵和快速读出的自旋态。一个详细的映射的磁场B-场分布的螺旋天线与子100微米的分辨率，并与数值模拟进行比较。这种基于光纤的微波B场探头具有最小化侵入性、小的整体尺寸的优点，将在近场分布对器件表征至关重要的各种应用中引起广泛的兴趣，仅举几例，天线辐射轮廓、单片微波集成电路故障诊断、微波集成电路的电磁兼容性测试和微波腔场模式映射。
2018-09-12 physics.app-ph physics.atom-ph quant-ph
Surface NMR using quantum sensors in diamond
在环境或化学反应条件下表征表面的分子性质是一项基本的科学挑战。此外，许多用于探测表面的传统分析技术通常缺乏动态或分子选择性，这限制了它们在实际化学条件下进行机理和动力学研究的适用性。核磁共振光谱（NMR）是一种广泛使用的技术，并且由于其非侵入性地提供分子信息而将是探测界面的理想方法。然而，它缺乏探测表面少量自旋的灵敏度。在这里，我们使用金刚石中的氮空位（NV）中心作为量子传感器，从化学改性的氧化铝表面，原子层沉积（ALD）制备的光学检测核磁共振信号。与表面NV-NMR技术，我们能够实时监测的形成动力学的自组装单分子层（SAM）的基础上膦酸盐锚定化学的表面。这证明了量子传感器作为一种新的表面敏感工具的能力，具有用于原位NMR分析的亚单层灵敏度，具有大大降低技术复杂性的额外优势。
2021-03-29 physics.app-ph physics.chem-ph quant-ph
Towards Quantum Sensing of Chiral-Induced Spin Selectivity: Probing Donor-Bridge-Acceptor Molecules with NV Centers in Diamond
提出利用金刚石浅层NV中心在单分子至少数分子层面直接探测D-B-A分子自由基对中CISS相关自旋极化的量子传感方案，并以Lee-Goldburg去耦抑制偶极耦合微扰、实现对映选择性检测。
2023-02-03 cond-mat.mes-hall physics.bio-ph physics.chem-ph
Detection of biological signals from a live mammalian muscle using a diamond quantum sensor
对动作电位产生的电信号进行无创、非接触测量的能力在生物医学中是必不可少的。实现这一点的一个关键方法是通过感应出的磁场远程感知信号。现有的用于哺乳动物组织的磁场感测的方法（用于诸如脑磁图的技术中）需要低温冷却的超导检测器。这些在高成本、灵活性和有限的便携性以及差的空间和时间分辨率方面具有许多缺点。在这项工作中，我们展示了一种替代技术，用于检测由电流产生的磁场从动作电位在活组织中使用金刚石中的氮空位中心。与50 pT/ $\sqrt{Hz}$的灵敏度，我们展示了第一次测量的传感器从哺乳动物组织的钻石传感器使用小鼠肌肉光遗传激活与蓝光。我们表明，这些测量可以在一个普通的，无屏蔽的实验室环境中进行，信号可以很容易地恢复数字信号处理技术。
2020-08-03 physics.app-ph physics.bio-ph physics.med-ph
Quantum Control for Nanoscale Spectroscopy With Diamond Nitrogen-Vacancy Centers: A Short Review
近年来，基于色心的金刚石量子技术迅速兴起。氮空位色心由于其优异的自旋性质和光学可寻址性而引起了人们的特别兴趣。NV中心已被用于实现创新的多模量子增强传感器，在室温下提供前所未有的高灵敏度和空间分辨率的组合。技术进步和潜在的传感应用的拓宽引起了对NV量子传感器性能进步的日益增长的需求。量子控制在响应这一需求方面发挥着关键作用。本文简要介绍了量子控制辅助量子传感和磁场光谱学的最新进展。
2021-02-12 quant-ph
Atomic-scale nuclear spin imaging using quantum-assisted sensors in diamond
原子水平的核自旋成像对于理解基本生物现象和药物发现等应用至关重要。新型纳米级传感器的出现给人们带来了在自然环境和环境条件下实现单蛋白质、高空间分辨率结构测定的长期目标的希望。特别是，基于金刚石中氮空位（NV）中心的自旋相关光致发光的量子传感器最近已被用于检测外部核自旋的纳米级集合。虽然NV灵敏度接近单自旋水平，但从非常复杂的结构中提取相关信息是一个进一步的挑战，因为它不仅需要能够感测孤立核自旋的磁场，而且还需要实现原子尺度的空间分辨率。在这里，我们提出了一种方法，通过利用NV中心与氮核自旋相关的固有量子存储器的耦合，可以达到十倍的空间分辨率提高，下降到原子尺度。空间分辨率的增强是通过相干控制的传感器自旋，这将创建一个动态频率滤波器，选择只有几个核自旋的时间。我们提出并分析了一个协议，不仅可以感测单个自旋在一个复杂的生物分子，但也解开他们之间的耦合，从而阐明局部特征的分子结构。
2014-07-11 cond-mat.other quant-ph
Non-invasive magnetocardiography of living rat based on diamond quantum sensor
本文提出基于金刚石氮-空位中心的高灵敏度室温心磁图系统，通过磁通量集中技术实现9 pT·Hz⁻¹/²灵敏度和5 mm传感器尺度，成功无创捕获活体大鼠约20 pT幅度的R波心磁信号，将固态量子传感从微观尺度拓展至宏观活体检测。
2024-05-03 physics.med-ph quant-ph
Integrated and portable magnetometer based on nitrogen-vacancy ensembles in diamond
利用量子效应的磁场传感器已经表明，它们在灵敏度方面可以胜过经典传感器，从而在未来实现一系列新的应用，例如脑机接口。金刚石中的负电荷氮空位（NV）中心已成为室温下测量磁场的一个有前途的高灵敏度平台。将这项技术从实验室设备转移到产品和应用中，传感器的总尺寸、总功耗和成本都需要降低和优化。在这里，我们展示了一种基于光纤的NV磁力计，其特点是完全集成了所有功能组件，而无需使用任何笨重的实验室设备。该集成原型允许便携式测量磁场，灵敏度为344 pT/ SqrtHz。
2020-12-02 cond-mat.other quant-ph
High-precision and low-latency widefield diamond quantum sensing with neuromorphic vision sensors
本研究采用神经形态视觉传感器解决宽视场金刚石量子传感中高时间分辨率与灵敏度难以兼顾的问题，通过将光强变化编码为脉冲大幅减少数据量并降低延迟，实验实现时间分辨率提升13倍且精度相当。
2023-06-25 physics.ins-det physics.optics quant-ph
Generation of a coherent electronic spin cluster in diamond
基于自旋的量子传感器的障碍是由于近端自旋引起的磁噪声。然而，这种围绕传感器的自旋团簇可以成为资产，如果它可以被控制的话。在这里，我们测量并读出了一个由三个氮（N）电子自旋耦合到金刚石中的单个氮空位（NV）自旋的簇。我们进一步实现了亚纳米局域化的集群自旋。最后，我们证明了物种之间的相干自旋交换的NV和N状态的同时敷料。这些结果建立了环境辅助传感和量子模拟与金刚石自旋的可行性。
2016-08-16 cond-mat.mes-hall quant-ph
