L-band single-photon generation from a cavity-coupled silicon C-center
Università di Milano-Bicocca（米兰比可卡大学）；University of Maryland（马里兰大学）；Ulsan National Institute of Science and Technology（蔚山科学技术院）
本研究通过将硅C中心耦合至纳米光子晶体腔，实现了电信L波段单光子源，寿命缩短五倍，珀塞尔因子下界33，纯度0.23，奠定超低损耗量子应用基础。
2026-09-30 cond-mat.mtrl-sci quant-ph
Varying temperature and silicon content in nanodiamond growth: effects on silicon-vacancy centers
含有色心的纳米金刚石在量子信息处理、计量学和量子传感中开辟了许多应用。特别地，硅空位（SiV）中心由于其有益的光学性质而成为量子发射体的突出候选者。在这里，我们表征纳米金刚石生产的高压高温方法没有催化剂金属，专注于两个样品具有清晰的SiV签名。不同的生长温度和样品之间的初始化合物中硅的相对含量改变了它们的纳米金刚石尺寸分布和SiV中心的丰度。我们的研究结果表明，纳米金刚石的生长可以控制和优化不同的应用。
2017-10-17 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci physics.optics
Optically addressable silicon vacancy-related spin centers in rhombic silicon carbide with high breakdown characteristics and ENDOR evidence of their structure
我们发现碳化硅中的单轴取向中心具有不寻常的性能。在这里，我们证明了在菱形15 R-SiC晶体基质中具有$S= 3/2$的硅空位相关中心家族具有独特的特性，例如在高达250 $^\circ$ C的温度下存在的ODMR对比度和光学自旋对准。因此，具有半整数基自旋态的光学可寻址硅空位相关中心的概念被扩展到广泛的SiC菱形多型体。这些中心的结构，这是量子应用的一个基本问题，已经建立了使用高频ENDOR。研究表明，一类硅空位相关中心是一个带负电荷的顺磁态硅空位，自旋为$S= 3/2$，V $_\textrm{Si}^-$，受非顺磁态中性碳空位的扰动，V $_\textrm{C}^0$与硅空位没有共价键，在c晶轴上与硅空位相邻.
2015-06-18 cond-mat.mtrl-sci
Indistinguishable photons from separated silicon-vacancy centers in diamond
我们证明了金刚石中的硅空位（SiV）中心可以有效地产生具有优异光谱特性的相干光子。我们证明了这些特性是由于SiV中心的反转对称性，并在HOM干涉实验中演示了从不同的发射体产生不可分辨的单光子，讨论了利用SiV中心实现高效量子网络节点的前景.
2014-07-01 cond-mat.mtrl-sci physics.optics quant-ph
Hidden Silicon-Vacancy Centers in Diamond
利用共线光学多维相干光谱技术对金刚石中的高密度负电荷硅空位（SiV $^-$）中心样品进行了表征。通过比较互补信号检测方案的结果，我们确定了一个隐藏的人口的\ce{SiV^-}中心，通常不观察到的光致发光，并表现出显着的光谱不均匀性和延长的电子$T_2$时间。这种现象可能是由应变引起的，表明了一种控制基于色心的量子器件中的电相干性的潜在机制。
2021-05-05 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph quant-ph
Scalable Quantum Photonics with Single Color Centers in Silicon Carbide
碳化硅是单光子源、量子位和基于单个色心的纳米级传感器的有前途的平台。为了实现这一目标，我们开发了一种可扩展的纳米柱阵列，在4 H-SiC中包含单个硅空位中心，可随时用于与自由空间物镜和透镜光纤的有效接口。用2 MeV电子束照射商业上获得的衬底以产生空位。随后的光刻工艺形成直径为400- 1400 nm的800 nm高的纳米柱。我们获得了高的收集效率，高达22 kcounts/s的光学饱和率从一个单一的硅空位中心，同时保持单光子发射和光诱导电子自旋极化特性。我们的研究表明，碳化硅是一个现成的平台，可扩展的量子光子学架构依赖于单光子源和量子位。
2017-02-25 cond-mat.mtrl-sci physics.optics quant-ph
Silicon-Vacancy Color Centers in Nanodiamonds: Cathodoluminescence Imaging Marker in the Near Infrared
我们证明，纳米金刚石制造纳入硅空位（Si-V）色心提供明亮，光谱窄，和稳定的阴极射线发光（CL）在近红外。含有纳米金刚石的Si-V色心作为相关CL和次级电子显微术的非漂白光学标记物是有前途的，包括纳米级生物成像的应用。
2013-09-20 cond-mat.mtrl-sci
Strongly Anisotropic Spin Relaxation in the Neutral Silicon Vacancy Center in Diamond
钻石中的色心是量子技术的一个有前途的平台，了解它们与环境的相互作用对于这些应用至关重要。本文研究了金刚石中硅空位中心中性电荷态的自旋-晶格弛豫（T1）。在20 K以上，T1随温度的变化而迅速减小，表现出奥巴赫过程的特征，并且相对于磁场取向具有很强的各向异性。当磁场的角度相对于缺陷的对称轴旋转时，T1减小超过三个数量级。电子自旋相干时间（T2）遵循相同的温度依赖性，但大大短于T1。我们建议，这些意见的结果从声子介导的过渡到一个低躺的激发态，自旋守恒时，磁场与缺陷轴对齐，我们讨论了可能的候选人为这个激发态。
2017-10-09 cond-mat.mtrl-sci quant-ph
Laser-induced spectral diffusion of T centers in silicon nanophotonic devices
University of California, Berkeley（加州大学伯克利分校）；Lawrence Berkeley National Laboratory（劳伦斯伯克利国家实验室）
本文研究硅光子晶体微腔中T中心的光学光谱扩散，通过时间相关测量发现黑暗中频率可稳定至3 ms，而低于硅带隙的激光脉冲是导致线宽展宽的主要机制，为不可区分光子产生提供了材料和反馈策略指导。
2025-11-10 cond-mat.mtrl-sci physics.optics quant-ph
Electronic transitions of single silicon vacancy centers in the near-infrared spectral region
单硅空位（SiV）中心的光致发光（PL）光谱通常以在近红外（NIR）光谱区域中的非常窄的室温PL线为特征，主要在820 nm和840 nm之间，除了众所周知的在大约800 nm处的零声子线（ZPL）之外。738 nm [E. Neu等人，B 84，205211（2011）]。我们在这里举例证明了一个单一的SiV中心，这近红外PL是由于一个额外的纯电子跃迁（ZPL）。对于822.7 nm的近红外线，我们发现室温线宽为1.4 nm（2.6 meV）。该线路在与ZPL类似的激励功率下饱和。ZPL和NIR线具有相同的偏振特性。ZPL和近红外线之间的互相关测量揭示了反相关发射，并证明这些线起源于单个SiV中心，此外还表明跃迁之间的快速切换（0.7 ns）。g（2）自相关测量排除了NIR线是振动边带或其由于从/到亚稳态（搁置）状态的转变而产生。
2012-06-11 cond-mat.mtrl-sci quant-ph
Electronic structure of the neutral silicon-vacancy center in diamond
金刚石中的中性电荷硅空位是量子技术的一个有前途的系统，它结合了高效率，宽带光学自旋极化与长自旋寿命（T2 ~ 1 ms，4 K）和高达90%的光发射到其946 nm的零声子线。然而，人们对SiV 0的电子结构知之甚少，这使得进一步的开发变得困难。在单轴应力下进行SiV 0的光致发光光谱，我们发现先前单个3A 1u状态的激发电子结构是不正确的，而是识别耦合的3Eu -3A 2u系统，其较低的状态在零应力下具有禁止的光发射，因此有效地降低了缺陷的总发射：我们提出了采用有限应变形成自旋光子界面的基础的解决方案。同位素富集明确指定与缺陷相关的976 nm跃迁为硅原子的局部模式。
2018-04-24 cond-mat.mtrl-sci quant-ph
Magnetic detection under high pressures using designed silicon vacancy centers in silicon carbide
压力感应磁相变由于其能够在金刚石压砧中检测高压下的超导行为而引起人们的兴趣。然而，由于样品室体积小，局部样品磁性的检测是一个很大的挑战。最近，金刚石中氮空位（NV）中心的光学检测磁共振（ODMR）已被用于原位压力诱导相变检测。然而，由于它们的四个取向轴和温度依赖的零场分裂，解释所观察到的NV中心的ODMR光谱仍然具有挑战性。本文研究了单轴、温度无关的零场分裂4 H-SiC中硅空位缺陷的光学和自旋性质。利用这种技术，我们观察了Nd_2Fe_（14）B在约7 GPa下的磁相变，并绘制了YBa_2Cu_3 O_（6.6）超导体的临界温度-压力相图。这些结果突出了基于硅空位的量子传感器在高压下用于原位磁检测的潜力。
2023-02-13 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph quant-ph
The W center in self-implanted silicon is the self-interstitial cluster I_3
基于第一性原理密度泛函理论计算，我们确定了自注入硅中的W中心为三元自填隙团簇I_3，并与所有已知的实验特征（发射能、非本征能级、激活能和离解能、局域振动结构和对称性）相匹配.
2002-02-27 cond-mat.mtrl-sci
Silicon-vacancy color centers in phosphorus-doped diamond
掺杂磷（n型）金刚石中色心的受控产生可以促进量子光子器件的电子集成，例如在电注入时操作的单光子源。硅空位（SiV）色心是很有前途的候选者，但迄今为止，在磷掺杂金刚石单光子发射的条件还没有调查。在这项研究中，我们创建SiV色心在金刚石样品中具有不同的磷浓度，并显示由于掺杂，氮杂质和离子注入诱导的缺陷的荧光背景可以显着抑制。在低注量硅离子注入下，在掺磷金刚石中获得了单光子发射体。
2019-12-19 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph quant-ph
Effect of Localization on Photoluminescence and Zero-Field Splitting of Silicon Color Centers
硅中缺陷中心在光量子信息处理中的潜在应用使其研究重新活跃起来。许多硅缺陷中心在电信$O$波段发射单光子，使它们成为计算节点之间量子网络的有希望的构建模块。两碳G中心、自填隙W中心和自旋$1/2$ T中心是研究最深入的硅缺陷中心，然而尽管如此，对于这些中心中缺陷原子的精确构型没有共识，并且它们的电子结构仍然不明确。在这里，我们采用\textit{ab initio}密度泛函理论来表征这些缺陷中心，提供洞察到的弛豫结构，能带结构，和光致发光光谱，这是比较实验结果。动机是如何提供这些属性是密切相关的缺陷中心的电子状态的本地化。特别是，我们提出了零场分裂的G-中心缺陷的激发三重态的结构从A-配置转换到B-配置的计算，显示了突然增加的$D_{zz}$分量的零场分裂张量的大小。通过对缺陷的局部轨道状态进行投影，我们分析了G-中心缺陷的对称性和键合特性，从而揭示了其作为自旋光子界面的潜在应用。
2022-09-23 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.str-el quant-ph
Photoluminescence excitation and spectral hole burning spectroscopy of silicon vacancy centers in diamond
金刚石中的硅空位（SiV）中心由于其明亮的单光子发射和光学可及的自旋态而在量子信息应用中具有广阔的应用前景。此外，低应变金刚石中的SiV中心对介电环境的扰动不敏感，即它们显示出非常弱的光谱扩散。这种特性使得SiV中心的集合对于传感应用是有趣的。我们在这里报告的光致发光激发（PLE）光谱上的SiV合奏在低应变，CVD生长的高品质金刚石层，在那里我们测量的精细结构与高分辨率，并获得线宽和分裂的SiV中心。我们研究了精细结构峰的宽度和位置的温度依赖性。我们的测量揭示了约10 GHz的线宽相比，寿命有限的宽度为0.1 GHz的顺序。这种差异是由残余应变引起的跃迁的不均匀加宽引起的。为了克服不均匀加宽，我们使用光谱烧孔光谱，使我们能够测量一个几乎寿命有限的均匀线宽为279 MHz。此外，我们证明了在系统中的相干相互作用的证据，通过驱动一个$Λ$ -计划。对离子注入产生的单发射体的额外测量证实了光谱烧孔实验中看到的均匀线宽，并将基态分裂与退相干速率联系起来。
2016-03-14 cond-mat.mtrl-sci quant-ph
Electronic structure of the negatively-charged silicon-vacancy center in diamond
金刚石中带负电荷的硅空位（SiV $^-$）中心是量子通信和信息处理的一种很有前途的单光子源。然而，该中心在这种量子技术中的实现受到围绕其基本性质的争论的阻碍。在这里，我们提出了光学偏振测量散装金刚石中的单中心，解决这种状态的争论，并建立该中心具有$\langle111\rangle$对齐分裂空位结构与$D_{3d}$对称性。此外，我们确定了一个额外的电子水平和存在的动态Jahn-Teller效应在中心的738 nm的光学共振的证据。
2014-03-04 cond-mat.mtrl-sci
Coupling of silicon-vacancy centers to a single crystal diamond cavity
研究了硅空位（SiV）中心与单晶金刚石微盘腔的光学耦合。该腔体是由离子注入和电化学剥离，然后由同质外延过生长所产生的单晶金刚石膜。测量了与SiV中心的零声子线（ZPL）光谱重叠并表现出品质因数~2200的回音壁模式。与腔外膜中的SiV中心相比，观察到腔中SiV中心的寿命从1.8 ns减少到1.48 ns。这些结果对于开发金刚石集成光子学网络至关重要。
2011-11-29 cond-mat.mtrl-sci
Using silicon-vacancy centers in diamond to probe the full strain tensor
用两种相干光谱技术探测了金刚石中硅空位中心系综（\ce{SiV-}）。两个主要的不同的家庭的\ce{SiV-}中心的识别使用多维相干光谱，这些家庭配对与两个取向组通过比较光谱从不同的线性偏振的入射激光。通过跟踪测量光谱中的峰值中心，计算激光光斑局部的全金刚石应变张量。这种测量是在样品表面上的多个点进行的，并观察到应变张量的变化。
2021-04-19 cond-mat.mtrl-sci
Electrically driven spin resonance in silicon carbide color centers
我们证明了光寻址点缺陷的自旋可以用交流电场相干驱动。基于磁偶极禁戒自旋跃迁，该方案使空间受限的自旋控制，高频电场的成像，和缺陷自旋多重性的表征。虽然我们控制SiC中的缺陷，但这些方法适用于许多半导体中的自旋系统，包括金刚石中的氮空位中心。电驱动的自旋共振提供了一个可行的途径，以可扩展的量子控制的电子自旋在一个密集的阵列。
2013-10-17 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci quant-ph
High precision vector magnetometry with uniaxial quantum centers in silicon carbide
我们表明，单轴色心的碳化硅与六方晶格结构，可以用来测量不仅是强度，而且还极角的外部磁场相对于缺陷轴的高精度。该方法是基于四重态基态硅空位缺陷中的多自旋共振的光学探测。我们实现了一个完美的协议之间的实验和计算的自旋共振谱没有任何拟合参数，在磁场范围内高达几个毫特斯拉的角度分辨率为几度。我们的方法适用于合奏以及单自旋3/2色心，允许在环境条件下的纳米尺度上的矢量磁强计。
2015-05-01 cond-mat.mtrl-sci
Doubly-charged silicon vacancy center, photochromism, and Si-N complexes in co-doped diamond
我们报告的第一个实验观察到的双电荷缺陷的金刚石，SiV 2-，在硅和氮共掺杂的样品。我们测量光谱特征，我们属性的替代硅在金刚石中，并确定一个硅空位复杂的装饰与最近邻的氮，SiVN，理论计算的支持。含有硅和氮的样品被证明是严重的光致变色，由于SiV 0/-的损失和光学惰性SiV 2-的增益，占主导地位的可见光变化。
2020-02-05 cond-mat.mtrl-sci
First-principles insights into the atomic structure of carbon-nitrogen-oxygen complex color centers in silicon
National Institute for Materials Science（物质材料研究机构）；International Center for Young Scientists, National Institute for Materials Science（物质材料研究机构青年科学家国际中心）
研究通过从头原理计算揭示硅中N线系列色心的原子结构，提出N1中心由邻近碳氮空位构成，并预测更复杂的氧空位缺陷可能对应后续谱线，这些色心与T中心同电荷，提供低能电信频段的替代自旋量子比特。
2026-08-20 cond-mat.mtrl-sci
Electrically and mechanically tunable electron spins in silicon carbide color centers
半导体缺陷的电子自旋可能与其宿主发生复杂的相互作用，特别是在像SiC这样的极性材料中，其中电学和机械变量相互交织。通过结合脉冲自旋共振和从头算模拟，我们发现SiC中性双空位中的自旋-自旋相互作用产生了具有增强的Stark效应、亚10**-6应变灵敏度和强度对比度为15- 36%的高度自旋相关的光致发光的自旋态。这些结果建立SiC色心作为引人注目的系统，用于感测纳米级领域。
2013-11-26 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci quant-ph
Quantum emitter formation dynamics and probing of radiation induced atomic disorder in silicon
硅中的近红外色心是片上集成量子发射器、光存取量子存储器和传感器的新兴候选者。我们访问系综G色心形成动力学和辐射诱导的原子在硅中的无序的一系列兆电子伏的质子通量条件。光致发光结果表明，脉冲质子辐照比连续波质子辐照更有效地形成G-中心。纳秒内增强的瞬态激发和动态退火允许优化G中心形成与非辐射缺陷积累的比率。当它们由中等脉冲质子注量产生时，G-中心保持约0.1 nm的窄线宽，而线宽随着脉冲质子注量的增加而显著加宽。这意味着空缺/间隙集群重叠碰撞级联。跟踪一系列辐照条件下的G-中心特性，使原子无序的灵敏探测，作为一个互补的分析方法，用于检测损伤积累。借助于${\it ab}$ ${\it initio}$电子结构计算，我们通过在G-中心附近引入空位和硅杂质，对原子无序引起的非均匀加宽进行了深入的研究.空位导致拉伸应变，并且可以导致G中心发射的红移或蓝移，这取决于其相对于G中心的位置。同时，Si晶体产生压应变，导致单调红移。高通量和可调离子脉冲使得能够探索辐射诱导缺陷的基本动力学以及用于量子信息处理的缺陷工程和量子比特合成的方法。
2023-02-11 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci quant-ph
The Effect of Dipole Boron Centers on the Electroluminescence of Nanoscale Silicon p+-n Junctions
纳米级硅p（+）-n结具有非常高的硼浓度，5 10^21 cm-3，被发现表现出有趣的光学性质。近红外电致发光（EL）光谱中主要的发射带具有沿择优晶轴方向的高度线性偏振，这种线性偏振可以通过施加在p（+）-n结平面上的横向电压来控制。这种行为与EL强度的温度依赖性一起归因于自补偿偶极硼中心B（+）-B（-）的存在，其具有负相关能，这是使用ESR技术在重掺杂硼的纳米级硅p（+）-n结中识别的。提出了通过负U偶极硼中心控制纳米硅p（+）-n结光学性质的复合过程模型。
2013-08-23 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
Spectroscopic Signatures of Electron-Phonon Coupling in Silicon-Vacancy Centers in Diamond
金刚石中的空位中心已被证明是量子相干光电子应用的可行的固态平台。在众多的空位中心中，硅空位（SiV）中心作为一种不太受电子-声子相互作用影响的反转对称系统最近引起了人们的广泛关注。尽管如此，声子介导的过程仍然降低了SiV中心的相干特性，然而，由于其微弱的光谱特征，表征它们的电子-声子耦合是极具挑战性的，并且仍然是一个开放的实验问题。在本文中，我们从理论上研究了电子-声子耦合的签名在模拟的线性和非线性光谱的SiV中心。我们演示了如何即使是非常弱的电子-声子相互作用，如在SiV中心，可以完全通过非线性光谱技术的特点，甚至解决不同的精细结构之间的过渡。
2020-03-02 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
Impact of strain and dark states on spectroscopic measurements of silicon-vacancy centers in diamond
San José State University（圣何塞州立大学）；The Pennsylvania State University（宾夕法尼亚州立大学）；University of Michigan（密歇根大学）
本文针对金刚石中SiV⁻中心的光谱测量问题，开发计算模型模拟MDCS实验，揭示应变随机分布及高应变中心与光发射解耦的特性，为其量子传感器应用提供依据。
2026-08-12 cond-mat.mtrl-sci physics.optics quant-ph
Excitation and recombination dynamics of vacancy-related spin centers in silicon carbide
我们利用电子辐照的方法在高质量的外延碳化硅层中产生与硅空位有关的缺陷。通过控制辐照通量，缺陷浓度在几个数量级上变化。我们建立了这些缺陷的光泵浦的激发分布，并评估了770 nm的最佳激发波长。我们还测量了室温下的光致发光动力学，发现一个单指数衰减的特征寿命为6.1 ns。积分的光致发光强度依赖于线性的激发功率密度高达20千瓦/厘米$^2$，表明这些缺陷的相对较小的吸收截面。
2014-04-01 cond-mat.mtrl-sci
The electronic structure of the silicon vacancy color center in diamond
金刚石中带负电荷的硅空位（SiV）色心最近被证明适合于明亮和稳定的单光子发射。然而，到目前为止，它的电子结构仍然难以捉摸。在这里，我们探索的电子结构，通过暴露单个SiV缺陷的磁场塞曼效应升降机的磁子能级的简并。在低应变参考样品中的单中心和SiV系综的类似响应证明了我们制造几乎完美的单SiV的能力，揭示了缺陷的电子性质的真实性质。我们使用群论方法模拟的电子态产生了很好的协议与实验观察。此外，该模型正确地预测了单SiV中心的极化测量，并解释了最近发现的SiV缺陷的自旋选择性激发。
2013-10-11 cond-mat.mtrl-sci
Influence of surface centers on the effective surface recombination rate and the parameters of silicon solar cells
报道了指数分布表面中心对硅太阳电池有效表面复合率和参数影响的研究结果。在我们的计算中，我们假设受体和施主表面态分别位于带隙的上部和下部。该模型还假设在能隙中间存在一个离散的表面能级。在连续分布中心的积分浓度与深表面能级的积分浓度相当的情况下，这些中心只能由于复合而影响SC参数。如果连续分布的中心的浓度与表征绝缘体中内置电荷的浓度相当或更高，则这些中心直接影响表面能带弯曲和光生电动势。借助于计算机模拟，确定了通过连续分布的表面中心的表面复合速率超过通过深离散能级的表面复合速率的条件。计算了与通过连续分布中心的复合相关联的反相硅SC中的开路电压的降低。所得的理论结果与实验数据进行了比较。
2013-04-29 cond-mat.mtrl-sci
Synthesis of thin silicon dioxide layers with high E' center densities and investigation of the E' center spin relaxation dynamics for single spin readout applications
已经探索了在具有非常高密度的硅悬挂键（所谓的E'中心）的晶体硅衬底上产生薄的非晶二氧化硅（aSiO 2）层的方法，并且通过将热氧化物层暴露于低压氩射频等离子体，已经证明了在整个60 nm厚的膜中[E']> 5 × 10^18 cm-3的体积密度。虽然产生的高E'心密度可以在300 ℃下完全退火，但它们在室温下相对稳定，半衰期约为一个月。在T = 5 K和T = 70 K之间对这些态的自旋弛豫时间的测量表明，相弛豫时间T2不强烈地依赖于温度，并且与较低E'密度的SiO_2膜相比，显著缩短。室温下的纵向弛豫时间T1 ~195（5）μ s与低密度SiO2相一致。相反，在T = 5 K时，T1 ~625（51）us比低E'密度的膜短得多。这些结果进行了讨论的上下文中的E'中心被用作探针自旋的自旋选择规则为基础的单自旋读出。
2013-09-30 cond-mat.dis-nn cond-mat.mtrl-sci
Hybrid Group IV Nanophotonic Structures Incorporating Diamond Silicon-Vacancy Color Centers
我们展示了一种新的方法，用于工程IV族基于量子光子结构，含有带负电荷的硅空位（SiV $^-$）的钻石色心作为量子发射体。混合SiC/金刚石结构是通过将纳米和微米金刚石在碳化硅（3C或4 H多型体）衬底上的生长与随后使用这些金刚石晶体作为图案转移的硬掩模相结合来实现的。SiV $^-$色心在金刚石的合成过程中从分子金刚石晶种（类金刚石）引入到金刚石中，而不需要离子注入或退火。我们表明，相同的生长技术可以用于生长可控掺杂SiV $^-$的金刚石层上的高纯度散装金刚石，其中我们随后制造纳米柱阵列含有高品质的SiV $^-$中心。扫描共聚焦光致发光测量揭示了光学活性SiV $^-$线在室温和低温（5 K）从所有制造的结构，特别是，非常窄的线宽和小的不均匀加宽的SiV $^-$线从所有金刚石纳米柱阵列，这是量子计算的关键要求。在低温下（5 K），我们观察到在这些结构中的签名典型的SiV $^-$中心在散装金刚石，符合双λ。这些结果表明，高品质的色心可以被纳入纳米光子结构合成与那些在散装金刚石的性能相当，从而打开了经典和量子信息处理的应用机会。
2015-10-26 cond-mat.mtrl-sci physics.optics quant-ph
Characterization of the T center in $^{28}$Si
硅是两个独立的领先量子技术平台的宿主：集成硅光子学以及长寿命自旋量子比特。目前正在寻找理想的光子-自旋界面，能够将这两种方法混合到一个单一的硅平台中，提供大幅扩展的能力。已知许多硅缺陷具有自旋选择性光学跃迁，尽管已知这些缺陷中很少有处于高度期望的电信频带中，并且那些通常不与光强烈耦合。在这里，我们的特点的T中心在硅，一个高度稳定的硅缺陷，支持一个短暂的束缚激子，在重组后发出光的电信O-波段。首次研究了$^{28}$ Si中的T心，给出了零声子线的温度依赖性，报道了窄至33（2）MHz的系综零声子线宽，并阐明了束缚激子的激发态谱。磁光致发光，结合磁共振，被用来观察12个不同的取向子集的T中心，这是独立寻址由于束缚激子的空穴自旋的各向异性g因子。因此，T中心是硅的两个领先的量子技术平台的杂交的有希望的竞争者。
2020-06-15 cond-mat.mtrl-sci
Comparing electron-phonon coupling strength in diamond, silicon and silicon carbide: First-principles study
从第一性原理出发，研究了四面体半导体金刚石、硅和立方碳化硅中电子-声子耦合引起的电子带隙重正化。在振动态与价带最大值和导带最小值的耦合之间存在显著的差异。声子耦合到价带最大值的强度在三个系统之间是相似的，并且由改变键长的振动支配。到导带最小值的耦合强度在金刚石、碳化硅和硅中显著不同。在金刚石中，耦合由声子布里渊区中的六个小的振动态口袋主导，这最终导致了这种材料中更强的电子-声子耦合。我们的研究结果代表了对半导体和绝缘体中的电子-声子耦合的先验理解的发展的第一步，这应该有助于设计具有定制的电子-声子耦合特性的材料。
2014-06-03 cond-mat.mtrl-sci
Optical lineshapes of the C-center in silicon from ab initio calculations: Interplay of localized modes and bulk phonons
本研究通过构建含数万个原子的超胞动力学矩阵的DFT方法，计算硅中CiOi缺陷的光学线形，揭示局域模与体声子的共同作用，验证了C线的缺陷归属且与实验吻合良好。
2024-10-30 cond-mat.mtrl-sci
Purcell enhancement of a single silicon carbide color center with coherent spin control
碳化硅最近已被开发为光学可寻址自旋缺陷的平台。特别地，在4 H多型体中的中性双空位显示光学可寻址的自旋-1基态和近红外光学发射。在这里，我们提出了一个单一的中性双空位耦合到一个光子晶体腔的Purcell增强。我们利用纳米光刻技术和掺杂剂选择性光电化学蚀刻的组合来产生品质因数超过5000的悬浮腔。随后耦合到一个单一的双空位导致的Purcell因子约50，这表现为增加的光致发光到零声子线和缩短的激发态寿命。此外，我们测量腔纳米结构内的双空位基态自旋的相干控制，并通过动态解耦证明扩展的相干性。这种自旋腔系统代表了使用碳化硅的可扩展长距离纠缠协议的进步，该协议需要来自空间分离的单个量子位的不可区分光子的干涉。
2020-02-28 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci quant-ph
Electrical excitation of silicon-vacancy centers in single crystal diamond
研究了金刚石单晶中带负电荷的硅空位（SiV）中心的电驱动发光。使用离子注入到p-i-n单晶金刚石二极管的本征（i）区域中来产生SiV中心。电致发光和光致发光信号都表现出归因于（SiV）-中心的典型发射。在正向和反向偏置PL测量下，没有观察到来自中性（SiV）0缺陷的信号。电驱动（SiV）发射的实现是有希望的可扩展的纳米光子器件采用单晶金刚石中的色心。
2015-03-16 cond-mat.mtrl-sci physics.optics
Magnetic field and temperature sensing with atomic-scale spin defects in silicon carbide
量子系统可以在从生物科学到纳米技术的各种传感应用中提供出色的性能。碳化硅中的原子级缺陷在这方面是非常有吸引力的，因为这种材料的技术优势和有利的光学和射频光谱范围来控制这些缺陷。我们确定了几个，单独寻址的自旋3/2中心在同一碳化硅晶体，这是免疫非轴向应变波动。它们中的一些的特点是几乎与温度无关的轴向晶体场，使这些中心非常有吸引力的矢量磁强计。另一个中心的零场分裂在室温下表现出-1.1MHz/K的巨大热位移，可用于测温。我们还讨论了利用不同的热响应的自旋中心的同步复合时钟。
2014-03-30 cond-mat.mtrl-sci
Compressive-Sensing-Enhanced First-Principles Calculation of Photoluminescence Spectra in Color Centers: A Comparison between Theory and Experiment for the G Center in Silicon
本研究结合第一性原理计算、机器学习压缩感知技术与实验，分析了硅中G中心的光致发光光谱。压缩感知方法在保持精度的同时实现了约20倍的计算加速，理论结果与实验高度吻合，阐明了E线的局部振动模式及同位素效应，并解释了非谐模式缺失的原因，为加速色心光谱计算提供了新途径。
2024-02-16 cond-mat.mtrl-sci
Phonon-assisted Auger-Meitner Recombination in Silicon from First Principles
本文提出第一性原理方法研究硅中直接和声子辅助俄格-迈特纳复合，发现声子辅助贡献主导n型和p型硅的复合速率，并揭示应变工程可调控该速率。
2023-08-30 cond-mat.mtrl-sci
The neutral silicon-vacancy center in diamond: spin polarization and lifetimes
我们证明了金刚石中的中性电荷硅空位缺陷（$\mathrm{SiV^{0}}$）的光学自旋极化，这是一种在946 nm处发射零声子线的$S=1$缺陷。自旋极化被认为是最有效的共振激发下，但在低于共振能量非零。我们测量了低温下的系综自旋相干时间$T_2>100~\mathrm{μs}$和自旋弛豫极限$T_1>25~\mathrm{s}$。在946 nm附近的光自旋态初始化允许在相同的光寻址体积内独立初始化$\mathrm{SiV^{0}}$和$\mathrm{NV^{-}}$，并且$\mathrm{SiV^{0}}$在电信下转换频带内发射到1550 nm：当与其高Debye-Waller因子相结合时，我们的初步结果表明$\mathrm{SiV^{0}}$是远程量子通信技术的有希望的候选者。
2017-05-29 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci quant-ph
First-Principles Simulation of Electron Mean-Free-Path Spectra and Thermoelectric Properties in Silicon
载能体的平均自由程（MFP）对于更好的热电材料的纳米工程至关重要。尽管近年来在基于第一性原理的声子MFP的光谱分布的理解方面取得了重大进展，但电子MFP的光谱分布仍然不清楚。在这项工作中，我们从第一性原理计算了硅中与能量相关的电子散射和多功能谱图。相对于电子MFP的电导率积累相比，声子热导率积累，以说明纳米结构对电子和声子传输的定量影响。通过结合所有的电子和声子输运性质的第一原理，我们预测的体硅和纳米结构的硅的热电性能，并发现，硅与20 nm的纳米晶粒可以导致超过5倍的增强其热电优值的晶界散射声子更显着比电子，由于其不同的MFP分布。
2015-02-04 cond-mat.mtrl-sci
Electron nuclear interactions and electronic structure of spin 3/2 color centers in silicon carbide: A high-field pulse EPR and ENDOR study
利用高频脉冲电子顺磁共振（EPR）和电子核双共振（ENDOR）研究了六方4 H-、6 H-和菱形15 R-碳化硅（SiC）多型体中高温自旋3/2取向色心的电子结构。该识别是基于解析的配体超精细相互作用与碳和硅最近的，下一个最近的和更远的邻居和自旋状态的确定。基态和激发态的自旋S = 3/2。从EPR和ENDOR的结果建议的微观模型如下：一个顺磁性的带负电荷的硅空位是非共价键连接到一个非顺磁性的中性碳空位，位于相邻的网站上沿SiC对称的c轴。
2020-07-15 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.other
Thermally stimulated H emission and diffusion in hydrogenated amorphous silicon
本文报道了氢化非晶硅中氢动力学的第一性原理从头算密度泛函计算。主机硅原子的热运动驱动H扩散，我们证明了直接模拟和简单的模型解释。Si-Si键中心和Si环中心是局部能量极小值。我们还描述了一种新的机制，打破Si-H键释放自由原子H进入网络：波动键中心脱离（FBCD）辅助扩散。在a-Si：H中的H动力学由晶体中不存在的非晶相固有的结构波动主导。
2007-06-16 cond-mat.mtrl-sci
Silicon Carbide Photonic Crystal Cavities with Integrated Color Centers
最近在3C碳化硅（SiC）中发现了类似于金刚石中带负电荷的氮空位中心的具有光学可寻址自旋态的色心，这有可能使缺陷量子位集成到用于量子信息和感测应用的已建立的晶片级器件架构中。在这里，我们展示了光子晶体腔的设计，制造和表征的3C SiC薄膜与合并合奏的色心和品质因数（Q）模式体积比类似的钻石。模拟结果表明，优化的H1和L3结构表现出高达45，000的Q和约$(λ/n)^{3}$的模式体积。我们利用内部色心作为宽带激发源来表征制造结构，其共振调谐到色心零声子线，并观察到Q在900- 1，500的范围内，窄带光致发光收集增强了10倍。通过比较不同的几何形状与有限差分时域模拟观察到的Q因子，我们发现证据表明，非垂直侧壁可能是我们的模拟和测量Q因子之间的差异的主要来源。这些结果表明，在3C SiC薄膜中的缺陷量子位显示出明确的承诺，作为一个简单的，可扩展的平台接口缺陷量子位与光子，光电，和光机设备。
2014-05-20 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci physics.optics
First-Principles Prediction of the Softening of the Silicon Shock Hugoniot Curve
采用无轨道分子动力学（OFMD）和路径积分蒙特卡罗（PIMC）两种第一性原理方法，研究了硅在极高压（>100 Mbar）下的冲击压缩过程.虽然这两种方法的压力非常一致，但PIMC预测了第二个压缩最大值，因为1 s电子电离在OFMD计算中是不存在的，因为基于费米的理论缺乏壳层结构。采用Kohn-Sham密度泛函理论计算了低压（P < 100 Mbar）下热态致密硅的状态方程。结合这些第一性原理物态方程的结果，导出了硅在1 Mbar ~ 10 Gbar压力范围内的主冲击Hugoniot曲线。我们发现硅比广泛使用的EOS模型预测的软20%或更多。现有的高压实验数据（P = 1 - 2 Mbar）似乎表明硅的这种软化行为，这需要未来的强冲击实验（P > 10 Mbar）来基准我们的结果。
2016-08-26 cond-mat.mtrl-sci
Molecular dynamics simulation of W Silicon Emitting Centers formation by Ga ion implantation
本文利用分子动力学模拟研究Ga离子注入与退火后纯硅中W中心的形成，提出三间隙团簇识别方法，发现高能注入增加团簇数量，退火可消除多余缺陷并保留W中心候选缺陷。
2023-10-26 cond-mat.mtrl-sci physics.comp-ph
All-optical nanoscale thermometry based on silicon-vacancy centers in detonation nanodiamonds
金刚石中的硅空位（SiV）中心是全光学纳米级高灵敏度测温的一个有前途的候选者，因为它们具有足够的灵敏度，以达到应用于生物系统所需的亚开尔文精度。预计具有SiV中心的纳米金刚石可以注入细胞中，以测量生物系统（如细胞器）的纳米级局部温度。然而，用于证明使用SiV中心的测温法的最小颗粒尺寸是几百纳米。我们最近通过爆炸工艺开发了适合大规模生产的含SiV中心的纳米金刚石。在这里，我们调查的光谱响应SiV中心含有爆轰纳米金刚石（SiV-DND）的温度。我们使用了空气氧化和聚甘油涂覆的SiV-DND，其平均粒径约为20 nm，这是用于证明使用纳米金刚石中的色心的测温法的最小尺寸。我们发现SiV-DND的零声子线在22.0 ~ 40.5 $^\circ C$范围内随温度的升高而线性红移。对温度的峰值灵敏度为0.011 $\pm$ 0.002 nm/K，这与所报道的块状金刚石中SiV中心的高灵敏度一致。温度灵敏度分析表明，SiV-DND测温可以达到亚开尔文精度。全光学SiV-DND测温技术对于研究诸如活细胞中的细胞器等纳米系统将是重要的。
2022-07-23 cond-mat.mtrl-sci
Self-compensation by silicon $DX$ centers in ultrawide-bandgap nitrides
US Naval Research Laboratory（美国海军研究实验室）
研究揭示硅在宽禁带氮化物中通过捕获电子实现自补偿，限制自由电子浓度，影响掺杂激活效率。
2026-04-10 cond-mat.mtrl-sci
Electronic structure and magneto-optical properties of silicon-nitrogen-vacancy complexes in diamond
金刚石中的硅空位（SiV）和氮空位（NV）中心通常被认为是固态量子信息处理的原型缺陷。在这里，我们表明，当硅和氮同时引入到金刚石晶格中，这些缺陷可以强烈地相互作用，形成更大的复合物。氮原子与Si和SiV中心强烈结合，可以形成络合物。使用混合密度泛函理论（DFT）和群论的组合，我们分析了电子结构，并提供了各种有用的物理性质，如超精细结构，准本地振动模式，零声子线，使这些配合物的实验鉴定。我们表明，氮附近的替代硅的存在下显着的施主能级向导带的位移，导致在SiN中心的活化能，这是可比的磷。我们还发现，中性的SiNV中心是特别感兴趣的，由于其光子发射在$\sim$ 1530 nm，这属于电信波长的C波段内，其顺磁性质。此外，与SiNV $^0$色心相关的光学跃迁表现出非常小的电子-声子耦合（Huang-Rhys因子~=~0.78），导致单光子发射的高量子效率（Debye-Waller因子= 46\%）。这些特征使得这个新中心对于可扩展量子电信网络的潜在应用非常有吸引力。
2020-06-21 cond-mat.mtrl-sci
Liquid-liquid transition in supercooled silicon determined by first-principles simulation
第一性原理分子动力学模拟揭示了过冷元素硅的液-液相变。两相共存于$T_c\approx 1232K$下方。低密度相几乎是四配位的，在费米表面具有赝能隙，而高密度相在性质上是更高度配位的和金属的。通过在低于$T_c$的压力-体积等温线中形成范德华环来观察过渡。
2008-09-16 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.stat-mech
Phonon-assisted optical absorption in silicon from first principles
完全从第一性原理出发，在准粒子水平上计算了硅的声子辅助带间光吸收谱。我们利用Wannier插值形式主义，以确定准粒子的能量，以及光学跃迁和电子-声子耦合矩阵元，在细网格的布里渊区。计算的光谱附近的间接吸收的发病是在一个温度范围内的实验测量非常好的协议。此外，我们的方法可以准确地确定硅在可见光范围内的光吸收光谱，这是光电和光伏应用的一个重要过程，不能用简单的模型来解决。计算形式是相当普遍的，可以用来理解一般的声子辅助吸收过程。
2012-02-15 cond-mat.mtrl-sci
Spin and optical properties of silicon vacancies in silicon carbide (a review)
我们讨论了碳化硅中与硅空位相关的自旋3/2中心的精细结构和自旋动力学。这些中心具有光学可寻址的自旋态，这使得它们在量子技术中非常有前途。自旋中心的精细结构被证明对机械压力、外部磁场和电场、温度变化等高度敏感，其可用于有效的室温感测，特别是通过纯光学装置或通过光学检测的磁共振。本文讨论了基于自旋态混合的磁性测量和温度测量的实验成果，并讨论了在磁场中的微观机制。我们还讨论了与环境的相互作用所造成的自旋涨落的空位系综。
2017-07-18 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
