Nutation-Based Longitudinal Sensing Protocols for High-Field NMR With Nitrogen-Vacancy Centers in Diamond
针对特斯拉级高场下NV-NMR快速脉冲序列难以驱动的问题，提出DRACAERIS协议以低拉比频率检测纵向磁化，经分析其抗脉冲缺陷和失谐效应更优，且确定了可行实验参数。
2024-04-16 physics.chem-ph 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
Nanoscale NMR Spectroscopy and Imaging of Multiple Nuclear Species
核磁共振（NMR）和磁共振成像（MRI）是成熟的技术，可在不同的学科中提供有价值的信息，但目前仅限于宏观样品体积。在这里，我们展示了纳米级NMR光谱和成像环境条件下的样品含有多个核物种，使用氮空位（NV）的颜色中心作为传感器的钻石。与单一的，浅NV中心的金刚石芯片和样品放置在金刚石表面上，我们进行NMR光谱和一维MRI的几个纳米大小的样品含有$^1$ H和$^{19}$ F核。或者，我们采用高密度的NV层附近的金刚石芯片的表面，以证明宽场光学NMR光谱的纳米级样品含有$^1$ H，$^{19}$ F，和$^{31}$ P核，以及多物种的二维光学MRI与亚微米分辨率。对于暴露于空气中的所有金刚石样品，我们确定了一个无处不在的$^1$ H NMR信号，与金刚石表面上和置于金刚石上的任何样品下方的吸附烃或水的$\sim 1$ nm层一致。这项工作为纳米级NMR和MRI应用奠定了基础，例如单蛋白质的研究和亚细胞分辨率的功能生物成像，以及亚纳米分辨率的薄膜的表征。
2014-06-12 cond-mat.mes-hall physics.chem-ph quant-ph
Nanoscale NMR of DNA-Functionalized Diamond Using Individual NV Centers
ETH Zürich（苏黎世联邦理工学院）；University of Calgary（卡尔加里大学）；National Institute of Standards and Technology（美国国家标准与技术研究院）；University of Colorado, Boulder（科罗拉多大学博尔德分校）；University of Fribourg（弗里堡大学）
本研究利用单个NV色心在金刚石纳米柱中实现纳米尺度核磁共振检测氟化DNA，通过共价连接$^{19}$F标记寡核苷酸，结合模拟验证，为表面固定生物分子的单分子结构解析奠定基础。
2026-09-09 physics.app-ph physics.ins-det 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
High-Sensitivity Optical Detection of Electron-Nuclear Spin Clusters in Diamond
École Normale Supérieure, PSL Research University, CNRS, Sorbonne Université, Université Paris Cité（巴黎高等师范学院、PSL研究大学、法国国家科学研究中心、索邦大学、巴黎西岱大学）；Laboratoire Charles Coulomb, Université de Montpellier, CNRS（夏尔·库隆实验室、蒙彼利埃大学、法国国家科学研究中心）
研究利用室温氮空位中心极化自旋簇进行高灵敏核磁共振检测，揭示多自旋簇的尖锐核磁共振特征，并实现碳13自旋簇的高精度核磁共振与相干控制。
2026-05-10 quant-ph
Nanoscale Solid-State Nuclear Quadrupole Resonance Spectroscopy using Depth-Optimized Nitrogen-Vacancy Ensembles in Diamond
体量子材料的核磁共振（NMR）和核四极共振（NQR）光谱学提供了对诸如量子相临界性、磁性和超导性等现象的洞察。随着具有磁性现象的纳米级2-D材料的出现，感应检测的NMR和NQR光谱学不足以灵敏地检测纳米材料中的较小数量的自旋。金刚石中的氮空位（NV）中心已经显示出将NMR和NQR光谱的分析能力带到纳米级的希望。然而，由于缺陷中心的深度依赖性形成效率、来自表面自旋的噪声、能带弯曲效应以及核磁场的深度依赖性，关于极化自旋的表面NMR的理想NV深度存在模糊性。在这项工作中，我们准备了一系列的浅NV系综层深度，并确定了理想的NV深度进行NMR光谱的偏振\fluorine{}在Fomblin油的金刚石表面。我们发现，使用XY 8-N噪声光谱实现SNR为3所需的测量时间在NV深度为5.4 nm处最小。为了证明NV系综的传感能力，我们对六方氮化硼薄片的\boron{}进行NQR光谱。我们比较我们最好的金刚石与以前的工作与一个单一的NV，发现这个合奏提供了一个较短的测量时间与激发直径小至4 $μ$ m。该分析为进一步的实验提供了理想的条件，这些实验涉及具有磁性的2-D材料的NMR/NQR光谱。
2021-12-29 cond-mat.mes-hall quant-ph
Structural analysis of nuclear spin clusters via two-dimensional nanoscale nuclear magnetic resonance spectroscopy
二维核磁共振（NMR）在分子结构测定中是必不可少的。金刚石中的氮空位（NV）心被认为是实现纳米尺度核磁共振的一种优秀的量子传感器。在这项工作中，我们开发了一个计划的基础上的NV中心的量子控制的二维纳米级NMR光谱。我们对金刚石中两个耦合的$^{13}$ C核自旋的靶进行了原理验证实验。该方法利用类COSY序列进行时域数据采集，然后利用快速傅立叶变换（FFT）将数据转换到频域。利用二维核磁共振谱，可以分辨出核自旋集合的结构和位置。这项工作标志着解决单个分子结构的基本步骤。
2019-06-10 quant-ph
Room-Temperature in situ Nuclear Spin Hyperpolarization from Optically-Pumped Nitrogen Vacancy Centers in Diamond
我们报告了通过高场核磁共振（NMR）观察到的13 C核自旋的体，室温超极化。超极化是通过光泵浦金刚石中的氮空位缺陷中心并伴随动态核极化来实现的。该技术利用室温下NV中心的大的光致自旋极化，其比热平衡极化大许多数量级，并且通常仅在亚开尔文温度下可实现。自旋极化到13 C核自旋的转移是通过OP和微波辐射的组合来完成的。OP/DNP在420 mT下进行，其中NMR的感应检测是可行的，与通常在100 mT和50 mT下利用的水平反交叉机制相反。在这里，我们报告了6%的体核自旋极化。这种极化是在原位产生的，并检测到一个标准的，感应NMR探针，而不需要样品穿梭或精确的晶体取向。通过OP/DNP的超极化应该在任意磁场下操作，使得能够在环境条件下对固体和液体的NMR进行数量级的灵敏度增强。
2015-01-13 cond-mat.mes-hall quant-ph
Solution nuclear magnetic resonance spectroscopy on a nanostructured diamond chip
我们证明了核磁共振（NMR）光谱的皮升体积的解决方案与纳米结构的金刚石芯片。使用光学干涉光刻技术，金刚石表面被纳米结构化，具有致密、高纵横比的纳米光栅，使芯片的表面积在mm^2区域内增加了15倍以上。纳米光栅的侧壁掺杂有氮空位（NV）中心，使得在一个（25微米）^2激光光斑中有超过1000万个NV中心位于足够靠近金刚石表面（5 nm）的位置，以检测位于相邻纳米光栅凹槽内的1 pL流体的NMR光谱。该平台用于在室温下在低于50 mT的磁场中进行1H和19 F NMR光谱。使用CsF的甘油溶液，我们证明了在1 pL体积中可以检测到4 +/- 2 x 10^12 19 F自旋，其信噪比为1 s积分中的3。这代表了浓度灵敏度比以前的NV和皮升NMR研究提高了近两个数量级。
2017-01-05 cond-mat.mes-hall physics.chem-ph physics.ins-det
Proposal for enhanced resolution in nanoscale NMR: quantum sensing with pulses of finite duration
金刚石中的氮空位（NV）色心是开发量子传感器的一个非常重要的平台，包括单自旋和单分子NMR。微波脉冲的重复序列大大增强了对弱单自旋信号的检测;在这些动态解耦（DD）技术中，在实验中扫描的关键控制参数是脉冲之间的时间间隔，$τ$。在这里，我们表明，事实上，脉冲持续时间提供了一个强大的附加控制参数。虽然以前，不可忽略的脉冲宽度被认为只是实验误差的来源，但在这里，我们阐明了潜在的量子动力学：我们确定了量子态交叉的景观，这些交叉通常是关闭的（不活动的），但可以通过从零开始调整脉冲宽度来可控地激活（打开）。我们确定这些交叉点与最近观察到的，但意想不到的下降（所谓的假下降）看到的量子相干性的NV自旋。有了这种新的理解，这些尖锐特征的位置和强度都可以精确控制;它们与短持续时间微波脉冲的通常更广泛的相干性下降共存，但它们的尖锐度允许使用量子金刚石传感器或其类似物进行更高分辨率的光谱分析。
2017-05-26 quant-ph
Shaped Pulses for Energy Efficient High-Field NMR at the Nanoscale
通过金刚石中的氮空位中心实现光学检测磁共振在高磁场下面临挑战，这包括控制脉冲的能量消耗增加以及灵敏度降低。在这里，我们解决这些挑战与微波控制序列中的成形脉冲的设计，实现了数量级的降低能耗和随之而来的增加灵敏度相比，标准的礼帽微波脉冲。本文提出的方法具有通用性，可应用于任何受脉冲控制序列影响的量子传感器。
2018-10-31 quant-ph
Nanoscale NMR Spectroscopy using Self-Calibrating Nanodiamond Quantum Sensors
常规的核磁共振（NMR）光谱依赖于从分子的宏观系综获取信号以获得关于分子结构和动力学的信息。将这种技术转移到纳米级样品大小将使分子分析没有平均的影响，在空间和时间的不均匀性，而不需要宏观体积的分析物，这两个固有的大合奏测量。基于大块金刚石芯片内部的氮空位（NV）中心的纳米级NMR实现了单核自旋灵敏度和确定化学结构所需的分辨率，但对于最敏感的设备，它们的检测体积仅限于金刚石表面上方几纳米。这使得它们无法在较厚的结构（如细胞）内以纳米级分辨率用于核自旋传感。在这里，我们展示了在（19 nm）3体积中使用多功能NV-NMR设备内的纳米金刚石，具有典型的30 nm直径的NMR信号从多个核素的检测。该装置检测由少量分析物分子产生的信号，数量级为1000。为了原位使用这些装置，必须针对每个纳米金刚石装置的未知几何形状校正检测到的信号。我们表明，这样的校准可以通过利用金刚石表面上的原子核薄层的信号来执行。这些结果，结合纳米金刚石的低毒性和它们对表面功能化的顺从性，表明纳米金刚石NV-NMR装置可以成为活细胞内基于纳米级NMR的传感的有用工具。
2019-02-05 cond-mat.mes-hall physics.chem-ph quant-ph
Superresolution optical magnetic imaging and spectroscopy using individual electronic spins in diamond
金刚石中的氮空位色心是超分辨光学成像和纳米级磁场传感的主要形式。在这项工作中，我们解决了剩余的关键挑战，即选择性地对位于衍射受限视场内的多个NV中心进行光学磁成像和光谱分析。我们使用自旋RESOLFT显微镜，使精确的纳米尺度映射的磁场图案的分辨率下降到~20 nm，同时采用低功率的光耗尽束。此外，我们使用一个浅的NV证明检测质子核磁共振（NMR）信号外部的钻石，具有50 nm的横向成像分辨率，而不会降低质子NMR线宽。
2016-10-06 cond-mat.mes-hall quant-ph
Dynamical decoupling methods in nanoscale NMR
核磁共振（NMR）方案可以借助于量子传感器（例如金刚石中的氮空位（NV）色心）应用于微米和纳米尺寸的样品。这些微小的设备允许在环境条件下以高空间和频率分辨率对核自旋系综进行磁力测量，从而在化学，生物学，医学和材料科学等不同领域产生明显的影响。在实践中，NV量子传感器由具有双重目的的微波（MW）控制场驱动：一方面，MW场桥接NV与附近核之间的能隙，这使得它们之间能够进行相干和选择性耦合，而另一方面，MW场去除NV上的环境噪声，从而导致增强的询问时间。在这项工作中，我们审查不同的MW辐射模式，或动态去耦技术，纳米级NMR应用。
2021-07-16 quant-ph
Depth Determination of Individual Shallow NV-Centers via Spin-Lock NMR
University of Basel（巴塞尔大学）；ABB Corporate Research（ABB企业研究院）
研究利用浅电子自旋进行量子传感时单个 NV 中心深度确定问题，提出自旋锁定核磁共振方法，通过特定频率调节及拟合函数，实现与现有方法高度一致的深度估计，确立其为可靠替代方法并用于研究金刚石上 1H 核自旋信号。
2026-07-21 cond-mat.mes-hall quant-ph
Towards hyperpolarization of oil molecules via nitrogen-vacancy centers in diamond
当进行核磁共振（NMR）和成像时，有机分子的有效极化是非常相关的。商业上可获得的动态核极化（DNP）途径在极低的温度下工作，从而使分子脱离其周围的热条件，并依赖于有机样品的固化。在这项工作中，我们研究了在室温下从光泵金刚石中的氮空位中心到外部分子的偏振转移。这种极化转移描述了一个广泛的分析和数值模拟的基础上自旋浴玻色子化，并支持实验数据非常一致。这些结果设定了在不同情况下扩散分子超极化的路线，因此，由于信号增加，高分辨率NMR。
2017-08-08 cond-mat.mes-hall quant-ph
Suppression of spin bath and low-frequency noise for sub-MHz AC magnetometry based on double-dressed spin qubit in diamond
本文提出利用级联连续动力学解耦形成单、双缀饰态以抑制金刚石量子比特的自旋浴耦合和低频噪声，实现低于1 MHz弱AC信号检测，SNR最高达17。
2025-06-09 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
Blueprint for nanoscale NMR
金刚石中的氮空位（NV）中心已被用作超灵敏磁力计，以在1 - 100 nm长度尺度下对统计极化样品进行核磁共振（NMR）光谱分析。然而，通过NV传感器相干时间和通过核通过检测体积的快速分子扩散，光谱线宽通常限于kHz水平，这反过来对于实现长的核相干时间是关键的。在这里，我们提供了一个蓝图的设置，结合了足够的灵敏度检测NMR信号从纳米到微米尺度的样品与光谱分辨率，仅限于核自旋相干，即与传统的NMR。我们的协议检测沿外部磁场的方向与近表面NV中心使用锁定检测技术，使相位相干信号平均诱导的核极化。使用NV中心的NMR检测器和光学超极化源的双重作用，以增加信噪比，并结合贝叶斯干涉模型的信号处理，纳米/微米级NMR光谱可以进行亚毫摩尔样品浓度，几个数量级优于目前的技术水平。
2017-06-21 quant-ph
Multidimensional spectroscopy of nuclear spin clusters in diamond
本研究针对近表面自旋缺陷用于分子结构NMR分析时核环境表征不足的问题，结合多维光谱学与单核自旋进动弱测量，提出傅里叶光谱技术，实现室温下浅氮-空位中心$^{13}\text{C}$核自旋环境的精确定位与光谱编辑，为单自旋探针的分子结构分析提供新工具。
2024-03-04 cond-mat.mes-hall quant-ph
Sub-micron Circuit Fabrication on Diamond Anvils for Mesoscopic High-Pressure Experiments
本文提出在金刚石对顶砧上利用双层抗蚀剂与电子束光刻制备亚微米级高附着、耐磨电路，并通过钨电路测得锆在约30 GPa相变处超导转变温度跃升4倍，为高压下介观精密测量开辟了新途径。
2025-04-05 cond-mat.mes-hall cond-mat.other cond-mat.supr-con
Construction and operation of a tabletop system for nanoscale magnetometry with single nitrogen-vacancy centers in diamond
金刚石中的单个氮空位中心是固态量子磁强计的主要候选者，该磁强计能够检测单个核自旋，并具有在纳米尺度下的核磁共振（NMR）的应用前景。尽管如此，许多化学家和生物学家仍然不太容易使用NV磁力计，因为它的实验设置和操作原理与传统的NMR完全不同。在这里，我们设计，构建和操作一个紧凑的桌面大小的系统，量子传感与一个单一的NV中心，主要是从商业上可用的光学元件和电子产品。我们表明，我们的设置可以实现国家的最先进的量子传感协议，使检测单个$^{13}$ C核自旋在金刚石和它们的相互作用参数的表征，以及检测一个小的合奏质子核自旋在金刚石表面上。这篇文章提供了广泛的讨论的设置和实验程序的细节，我们的系统将重现那些谁没有在NV中心以前的工作。
2020-02-06 cond-mat.mes-hall quant-ph
Angstrom-resolution magnetic resonance imaging of single molecules via wavefunction fingerprints of nuclear spins
核磁共振（NMR）的单分子灵敏度和磁共振成像（MRI）的埃分辨率是磁显微镜的最高挑战。动态去耦合（DD）增强的金刚石量子传感的最新发展使得单核NMR和纳米级NMR成为可能。与常规NMR和MRI类似，当前基于DD的量子传感利用目标核自旋的频率指纹。频率指纹本质上不能分辨具有相同噪声频率的不同核自旋，也不能区分核自旋簇中不同类型的相关性，这限制了单分子MRI的分辨率。在这里，我们表明，这种限制可以克服通过使用波函数指纹的目标核自旋，这是更敏感的频率指纹的弱超精细相互作用的目标和传感器之间的共振DD控制。我们展示了一个方案的埃分辨率的MRI，能够计数和单独本地化的单个核自旋相同的频率和特征的相关性，在核自旋集群。在金刚石表面附近的氮空位中心自旋传感器，如果在不久的将来通过表面工程改善相干时间，可以用于以埃分辨率确定同位素标记的单分子的位置和构象。在这项工作中的计划提供了一种方法，打破传统的MRI中的频率梯度设置的分辨率限制，并达到埃级分辨率。
2016-08-26 quant-ph
Determination of the 3D Magnetic Field Vector Orientation with NV Centers in Diamond
磁场取向的绝对知识在单自旋量子磁学和自旋量子计算中起着至关重要的作用。在本文中，我们重建了一个任意的静态磁场与个别的氮空位（NV）中心的金刚石的三维取向。我们确定的极性和方位角的磁场取向相对于金刚石晶格。因此，我们使用来自NV的光致发光各向异性的信息，以及一个简单的脉冲光检测磁共振（ODMR）实验。我们的纳米级磁场测定是普遍适用的，不依赖于特殊的先决条件，如强耦合核自旋或特定的可控领域。因此，我们提出的结果开辟了新的途径，精确的NMR重建和调制的电子-电子自旋相互作用的EPR测量专门定制的磁场。
2020-01-15 quant-ph
Creation of Depth-Confined, Shallow Nitrogen-Vacancy Centers in Diamond With Tunable Density
Materials Department, University of California, Santa Barbara（加州大学圣塔芭芭拉分校材料系）；Division of Engineering and Applied Science, California Institute of Technology（加州理工学院工程与应用科学部）；Department of Physics, University of California, Santa Barbara（加州大学圣塔芭芭拉分校物理系）；Department of Materials Science and Engineering, Stanford University（斯坦福大学材料科学与工程系）
通过δ掺杂在金刚石生长过程中制备浅层氮-空位中心，实现了对NV深度约束和密度的可调控制，从而获得高灵敏度的单个缺陷和集合，并展示了在二维磁体CrSBr中成像磁性的应用。
2025-12-12 quant-ph
Dynamically Polarizing Spin Register of NV Centers in Diamond using Chopped Laser Pulses
金刚石中氮空位（NV）中心附近的核自旋是量子计算和量子传感的理想量子存储器，但由于其与环境的相互作用弱相互作用而难以初始化.在这里，我们提出并证明了磁场无关，确定性和高效的偏振方案，通过引入斩波激光脉冲的双共振初始化方法。用这种方法，我们证明了在室温下单核自旋接近$98.1\%$和$^{14}N$ - $^{13}C$双核自旋系统接近$96.8\%$的初始化.初始化是有限的核自旋退极化效应，由于斩波激光激发。我们的方法可以扩展到更多的核自旋的NV系统，并将是一个有用的工具，在未来的应用，如纳米MRI和单细胞NMR。
2019-07-23 quant-ph
High Resolution Magnetic Resonance Spectroscopy Using Solid-State Spins
我们展示了一个同步读出（SR）技术的振荡磁场与亚毫赫兹分辨率的光谱选择性检测，使用固态自旋的相干操纵。SR技术在基于金刚石中的氮空位（NV）中心的灵敏磁力计（~50皮特斯拉/Hz^（1/2））中实现，并且用于检测来自液态样品的核磁共振（NMR）信号。我们获得NMR光谱分辨率~3 Hz，这是近两个数量级窄于以前所证明的NV为基础的技术，使用的样品体积为~1皮升。这是NV检测NMR的第一个应用，以感测玻尔兹曼极化核自旋磁化，并首次观察化学位移和J耦合。
2017-06-14 quant-ph
J-coupling NMR Spectroscopy with Nitrogen Vacancy Centers at High Fields
本文提出一种在高磁场下利用金刚石氮空位中心获取同核与异核J-耦合的核磁共振方案，通过噪声过滤抑制样品退相干，获得仅含高分辨率J-耦合特征的清晰谱图。
2024-10-04 quant-ph
Pulse sequence design for high field NMR with NV centers in dipolarly coupled samples
针对低扩散样品中偶极耦合干扰NMR光谱信息提取的问题，提出基于NV系综传感器的高场脉冲序列协议，通过同步RF和MW消除核耦合并增强信号，可准确识别固态系统能量位移。
2025-08-25 quant-ph
Enhancing polarization transfer from nitrogen-vacancy centers in diamond to external nuclear spins via dangling bond mediators
本文提出利用金刚石表面悬挂键等局域电子自旋作为介体，结合PulsePol微波序列，实现NV中心到外部核自旋的高效鲁棒极化转移，以提升核磁共振灵敏度。
2024-01-30 quant-ph
Enhanced sensitivity in microscale high-field NMR via nuclear-spin locking with NV centers
University of the Basque Country UPV/EHU（巴斯克大学）；EHU Quantum Center, University of the Basque Country UPV/EHU（巴斯克大学EHU量子中心）
利用NV中心核自旋锁定技术，通过延长相干时间提升微尺度高场NMR的灵敏度，实现灵敏度提升超过4倍。
2026-01-27 quant-ph
Chemically resolved nuclear magnetic resonance spectroscopy by longitudinal magnetization detection with a diamond magnetometer
本研究提出Ramsey-M_z协议，利用金刚石磁力计检测纵向磁化，在0.32T下实现约350ppb化学位移分辨，验证了其在亚纳升级NMR检测中的高分辨率潜力。
2025-03-04 physics.app-ph physics.chem-ph physics.ins-det
Local and bulk 13C hyperpolarization in NV-centered diamonds at variable fields and orientations
极化核自旋在生物学、化学和物理学中具有根本的重要性。从本体中的自由电子超极化13 C核的方法通常需要在低温下操作。以具有氮空位（NV）中心的金刚石为目标的室温方法可以减轻这种需要，但是迄今提出的策略缺乏通用性，因为它们需要对磁场的强度和/或排列的严格条件。在这里，我们报告了一种方法，用于实现有效的电子-> 13 C自旋对准转移，兼容的磁场强度和场取向的金刚石晶体的宽范围。这种多功能性的结果从相结合的相干微波和非相干激光诱导的耦合电子核自旋流形的选定的能量状态之间的过渡。13 C检测的核磁共振（NMR）实验表明，这种超极化可以通过第一壳层或通过遥远的13 Cs，在整个核体系综。该方法为金刚石NV心在核磁共振和量子信息处理中的应用开辟了新的前景。
2014-12-30 cond-mat.mes-hall physics.chem-ph physics.optics
Sensing and atomic-scale structure analysis of single nuclear spin clusters in diamond
单分子核磁共振（NMR）是磁共振光谱学领域的一项重要挑战，在化学分析和量子计算中具有重要应用。近年来，金刚石中氮空位中心自旋保持量子相干性的实验研究进展以及通过动态解耦控制实现原子尺度磁测量的理论建议使这一重大挑战得以解决。通过动态解耦控制下NV中心的退相干测量，实现了单个$^{13}\textbf{C}$的纳米级传感。直接测量单核自旋团簇内的相互作用是单分子结构分析的最终目标。在这里，我们感测到一个单一的$^{13}\textbf{C}$ - $^{13}\textbf{C}$核自旋二聚体位于约1 nm的NV中心，并表征了两个核自旋之间的相互作用，通过测量NV中心的自旋退相干在各种动力学解耦控制。从测量的相互作用，我们推导出的空间结构的二聚体与原子尺度的分辨率。这些结果表明，动力学解耦控制下的中心自旋退相干是单分子NMR结构分析的一个可行的探针。
2013-09-25 cond-mat.mes-hall quant-ph
Prospects for Ultralow-Mass Nuclear Magnetic Resonance using Spin Defects in Hexagonal Boron Nitride
本文提出利用六方氮化硼中带负电硼空位（$V_B^-$）作为纳米核磁共振传感器，克服了NV中心近表面性能退化问题，设计了测量协议并评估了其性能，为超低质量核磁共振提供了新方案。
2025-05-01 physics.app-ph quant-ph
Quantum Memory Enhanced Multipoint Correlation Spectroscopy for Statistically Polarized NMR
本研究提出一种结合相关光谱和量子异频检测的多点相关光谱法，用于提高统计极化纳米尺度核磁共振的灵敏度和测量效率。
2025-12-17 quant-ph
Hyperpolarisation of external nuclear spins using nitrogen-vacancy centre ensembles
金刚石中的氮空位（NV）中心已成为非侵入性超极化分子系统中的核自旋以提高核磁共振（NMR）实验灵敏度的候选者。几个有希望的原理实验证明了从单个NVs到金刚石外部的氢自旋的小规模极化转移。然而，这些结果的使用密集的NV合奏，这是一个必要的先决条件，实现现实的NMR灵敏度增强的规模，尚未得到证明。在这项工作中，我们提出了证据的极化之间的相互作用的浅NV合奏和外部核目标在微米尺度上，并在实现有用的极化增强的挑战。在与固态靶中的氢相互作用的最有利的示例中，测量每秒每NV的$\approx 7500$自旋的最大极化转移速率，在包含有序$10^6$ NV的区域上求平均。降低水平的极化效率被发现为液态的目标，其中分子扩散限制的转移。通过理论模型的分析，我们发现，我们的研究结果表明，实施这种技术的核磁共振灵敏度增强是可行的，以下现实的金刚石材料的改进。
2021-01-29 cond-mat.mes-hall quant-ph
High-Resolution NMR Spectroscopy at Large Fields with Nitrogen Vacancy Centers
本研究提出一种利用氮空位（NV）中心在高磁场下实现高分辨率NMR光谱的方法，通过将能量偏移映射到核自旋信号振幅并交替自由进动期，克服了NV传感器与高频核信号耦合的难题。
2023-04-03 quant-ph
Recursive polarization of nuclear spins in diamond at arbitrary magnetic fields
我们介绍了一种替代的路线，动态计算的核自旋主机的氮空位（NV）中心的金刚石。我们的方法阐明了光学，微波和射频脉冲递归地转移自旋极化从NV电子自旋。使用相同的基本原理的两个互补的变体，我们证明了氮核自旋初始化接近80%，在室温下，无论是在合奏和单NV中心。与现有方案不同，我们的方法不依赖于水平反交叉，因此适用于任意磁场。这种多功能性应该证明是有用的应用范围从纳米计量灵敏度增强NMR。
2014-12-17 cond-mat.mes-hall quant-ph
Nuclear Magnetic Resonance with a Levitating Micro-Particle
该研究在悬浮微金刚石中利用氮-14核自旋实现了核磁共振，通过 Paul 阵阱限制角自由度促成高效超精细相互作用，创下数百微秒的最长自旋相干时间记录，为宏观粒子冷却和陀螺仪几何相位探索提供前景。
2024-07-29 cond-mat.mes-hall quant-ph
Fast Room-Temperature Phase Gate on a Single Nuclear Spin in Diamond
由于与环境的弱耦合，核自旋支持长寿命的量子相干性，但是由于小的核磁矩，使用核磁共振（NMR）难以快速控制。我们在金刚石中的氮空位（NV）中心固有的14 N核自旋量子比特上证明了~ 500 ns的快速核自旋相位门。相位门是通过超精细相互作用和电子自旋跃迁的非共振驱动来实现的。相位门的反复应用使核自旋与环境解耦，锁定自旋状态长达~ 140微秒。
2014-07-14 cond-mat.mes-hall quant-ph
Label-free phase change detection of lipid bilayers using nanoscale diamond magnetometry
金刚石中的NV中心是一种质量卓越的量子传感器，可用于NMR光谱和温度测量的高灵敏度纳米级分析。在这项研究中，我们研究了纳米相变检测的脂质双层利用整体平均核自旋检测从小体积~（6 nm）$^{3}$，这是由NV中心的深度确定。纳米级NMR信号的分析证实脂质双层的厚度为6.2 nm $\pm$ 3.4 nm，质子密度为65质子/nm $^{3}$，证实在金刚石样品顶部形成脂质双层。从纳米尺度体积的相关光谱揭示了量子振荡在3.06 MHz对应的拉莫尔频率的质子在施加的磁场为71.8 mT。将相关谱的计算结果与蒙特卡罗模拟建立的二维分子扩散模型结合分子动力学模拟的结果进行了比较。当温度从26.5 $^\circ$ C变化到36.0 $^\circ$ C时，扩散常数从1.5 $\pm$ 0.25 nm $^{2}$/$μ$ s变化到3.0 $\pm$ 0.5 nm $^{2}$ / $μ$ s。我们的研究结果表明，同时观察平移扩散和温度的变化是可能的，在无标记测量使用纳米金刚石磁强计。我们的方法为细胞膜的无标记成像铺平了道路，以了解其相组成和动力学。
2021-01-12 physics.app-ph physics.bio-ph quant-ph
Accelerated 2D magnetic resonance spectroscopy of single spins using matrix completion
二维核磁共振（NMR）光谱是分析有机分子和蛋白质化学结构的主要工具之一。尽管它的力量，这种技术需要长的测量时间，特别是在最近出现的金刚石基单分子NMR，限制了其应用于稳定的样品。在这里，我们展示了一种方法，它允许通过只收集一小部分的实验数据来获得光谱。我们的方法是基于矩阵完成，可以恢复从随机采样的数据点的全部光谱信息。我们确认实验的适用性，这种技术通过执行二维电子自旋回波包络调制（ESEEM）实验上的两个自旋系统组成的一个单一的氮空位（NV）中心在金刚石耦合到一个单一的13 C核自旋。我们表明，在光谱中的主峰，可以得到只有10%的数据点的总数。我们相信，我们的结果可以在所有类型的二维光谱中找到应用，只要测量的矩阵具有低秩。
2015-07-14 quant-ph
Tracking the precession of single nuclear spins by weak measurements
核磁共振（NMR）光谱学是用于分析分子的结构和功能以及用于执行自旋密度的三维成像的强大技术。核磁共振波谱仪的核心是检测电磁辐射，其形式为自由感应衰减（FID）信号，由原子核在外加磁场周围进动产生。虽然传统的核磁共振需要来自1 e12或更多核的信号，但灵敏磁力测量的最新进展已经将这个数字大大降低到可以检测到很少甚至单个核自旋的水平。人们自然会问，连续FID检测是否仍然可以应用于单自旋水平，或者量子反作用是否会修改甚至抑制NMR响应。在这里，我们报告使用周期性弱测量跟踪单核自旋进动。我们的实验系统由金刚石中的碳-13核自旋组成，这些核自旋与附近氮空位中心的电子自旋弱相互作用，充当光学可读的米量子比特。我们观察到量子反作用的两个重要效应：测量引起的退相干和与采样时钟的频率同步。我们使用周期性的弱测量来证明灵敏的，高分辨率的NMR光谱的多个核自旋与先验未知的频率。我们的方法可以提供最佳的路线进行单分子NMR在原子分辨率。
2019-04-12 quant-ph
Multi-spin-assisted optical pumping of bulk 13C nuclear spin polarization in diamond
金刚石中氮空位（NV）中心最显着的特性之一是光学照射几乎完全抑制其电子自旋，这一特征可以用来抑制附近的其他自旋物种。本文利用场循环核磁共振（NMR）研究了室温下金刚石中NVs到~（13）C自旋的自旋极化转移机制。我们专注于51 mT附近的动力学，在那里一个偶然的组合，电子和核自旋水平之间的能量匹配条件产生替代极化转移通道。通过监测13 C自旋极化作为施加的磁场的函数，我们表明13 C自旋泵浦发生通过多自旋交叉弛豫过程，涉及NV-自旋和电子和核自旋的相邻P1中心。此外，我们发现，这种机制是不敏感的晶体取向相对于磁场，虽然13 C偏振的绝对水平-达到最佳条件下的~3%-可以根据光泵浦效率，光生载流子，和激光诱导加热之间的相互作用而变化。
2017-11-20 quant-ph
Diamonds levitating in a Paul trap under vacuum: measurements of laser-induced heating via NV center thermometry
本文测量了真空条件下悬浮在环形Paul阱中的金刚石中氮空位中心的电子自旋共振（ESR）谱。我们观察到的ESR谱的NV中心嵌入微米级金刚石在真空压力下降到$2\times 10^{-1}$毫巴，由绿色激光加热的金刚石的限制。我们还观察到NV的光致发光在真空压力下降到$10^{-2}$毫巴，并讨论了超高真空下控制NV自旋所需的步骤。
2017-07-07 cond-mat.mtrl-sci quant-ph
Microwave device characterisation using a widefield diamond microscope
依赖于微波电路的设备构成了许多经典和新兴量子技术的基石。一个能力，提供原位，非侵入性和直接成像的微波场以上的设备将是一个强大的工具，其功能和故障分析。在这项工作中，我们建立在最近的成就，在磁力测量使用合奏的氮空位中心在金刚石，提出了一个宽场微波显微镜与几微米分辨率超过毫米级的视野，130 nT/平方赫兹的微波幅度灵敏度，48分贝的动态范围，和亚毫秒的时间分辨率。我们用我们的显微镜成像微波场几微米以上的微波电路组件的范围，并验证了一种新的原子芯片设计。我们的研究结果开辟了高通量的表征和调试复杂的，多组分的微波器件，包括设备操作的实时探索的方式。
2018-10-18 cond-mat.mes-hall physics.app-ph quant-ph
Observation of Ultra-low AC Susceptibility in Micro-magnets Using Quantum Diamond Microscope
本文提出利用基于NV色心的量子金刚石显微镜和相干脉冲序列，对微米级铁磁样品进行交流磁化率成像，实现1微米分辨率与飞焦耳每特斯拉量级磁矩变化检测。
2024-05-22 quant-ph
Quantum sensing-enabled deuterium NMR spectroscopy with nanoscale sensitivity at low magnetic fields
Technical University of Munich（慕尼黑工业大学）；Munich Center for Quantum Science and Technology (MCQST)（慕尼黑量子科学与技术中心）；Diatope GmbH（迪亚托普有限公司）
本文利用钻石中的氮空位中心实现纳米级灵敏度的氘核磁共振光谱，在低磁场下实现了传统核磁共振无法达到的灵敏度和分子动态研究能力。
2026-04-28 physics.app-ph physics.chem-ph quant-ph
Three-dimensional imaging of integrated-circuit activity using quantum defects in diamond
该研究利用金刚石近表面氮-空位中心探测多层集成电路的奥斯特场，在室温下以亚微米分辨率重建低至约10 μA/μm²的三维电流密度，并实现分层定位与异常电流观测。
2024-06-11 cond-mat.mes-hall physics.app-ph quant-ph
Enhanced spin state readout of Nitrogen-Vacancy centers in diamond using IR fluorescence
近年来，金刚石中的氮空位（NV）中心已被用于从纳米级NMR到量子计算的广泛应用。这些应用强烈依赖于NV中心的自旋状态的有效读出，这是目前有限的。在这里，我们提出了一种方法来读取NV中心的自旋状态，使用单重态流形中的弱光学跃迁。我们数值计算了使用这种技术从每个自旋状态收集的光子数，并表明自旋读出信噪比的数量级增强是预期的，使单次自旋读出触手可及。因此，该方法可以导致普遍存在的基于NV的感测应用的灵敏度的数量级增强，并且消除了将NV用于量子信息处理的主要障碍。
2019-06-12 cond-mat.mes-hall quant-ph
Microscale Sensing with Strongly Interacting NV Ensembles at High Fields
针对高场下增加NV浓度会加剧偶极-偶极相互作用的问题，提出一种高场NMR信号检测方法，可抑制该耦合，结合高掺杂金刚石衬底与高磁场提升传感灵敏度。
2025-10-20 quant-ph
Optical Widefield Nuclear Magnetic Resonance Microscopy
本研究利用金刚石NV中心将核磁共振信号转为光学信号，由高速相机捕获，实现约10微米分辨率、235×150微米区域的宽场NMR成像，每个像素记录完整谱信息，融合光学与NMR技术推动多领域成像应用。
2024-05-15 physics.app-ph physics.chem-ph physics.optics
