Controlling a nuclear spin in a nanodiamond
利用邻近暗核作为辅助自旋，可以增强金刚石中单个光学亮电子自旋的传感能力。这样的系统，到目前为止，仅在块状金刚石中实现，在磁感测的情况下提供了数量级更高的灵敏度和光谱分辨率，以及在量子信息方案中提供了改进的读出保真度和状态存储时间。在纳米金刚石中，作为移动纳米级传感器提供了额外的机会，电子-核自旋复合物仍然无法获得。我们展示了位于纳米金刚石中氮空位中心4 π的13 C核自旋的相干控制，并显示了这种混合自旋系统的两个组件之间的量子态转移。我们提取了一个核自旋自由进动时间T2* = 26 us，这超过了裸电子自由进动时间在纳米金刚石两个数量级。
2016-11-21 cond-mat.mes-hall quant-ph
Method for in-solution, high-throughput T1 relaxometry using fluorescent nanodiamonds
荧光纳米金刚石（FND）已被开发为纳米级化学和生物传感应用的敏感量子探针，迄今为止，大多数演示依赖于单个FND的检测。这对测量时间、通量和测量结果的统计显著性造成了很大的限制，因为FND样品中通常存在明显的不均匀性。在这里，我们已经开发了一个测量平台，可以报告T1自旋弛豫时间从一个大的合奏FND在解决方案。我们首先描述了一个完善的传感协议，这种方式，然后用它来确定最佳的FND大小的顺磁性目标的检测。我们的方法是简单的设置，强大的，可用于快速材料表征或各种原位量子传感应用。
2022-11-27 physics.app-ph quant-ph
Coupling of nitrogen vacancy centers in nanodiamonds by means of phonons
尽管最近展示了纳米分离对，但通过钻石中色心之间的磁相互作用实现受控量子动力学仍然是一个挑战。在这里，我们建议使用钻石的固有声学声子作为数据总线来完成这项任务。我们表明，纳米金刚石的电子-声子耦合可以采取显着的值，连同模式频率在太赫兹范围内，可以作为一个资源的条件门操作。在此基础上，我们分析了如何利用这种声子诱导相互作用在电子自旋三重态基态之间构造量子门，通过拉曼跃迁引入声子依赖性。结合去耦脉冲，这提供了在几十纳米尺度上在纳米金刚石内创建纠缠态的可能性，这是量子传感应用的一个有希望的先决条件。
2013-07-11 quant-ph
Nanometer-precision non-local deformation reconstruction using nanodiamond orientation sensing
加载时材料变形的信息是评价材料力学性能的关键，特别是理解活系统的基本力学刺激诱导响应的关键。传统上，这样的信息是在宏观尺度上获得的平均属性，这错过了在个别结构的变形的重要细节;或在纳米级与局部属性访问，这错过了在远离力加载位置的位置变形的信息。在这里，我们证明了纳米金刚石取向传感和AFM纳米压痕的集成提供了一个互补的方法，材料变形的非局部重建。这种方法的特点是在加载方向上的5纳米精度和一个子百纳米的横向分辨率。使用这个工具，我们绘制出的PDMS薄膜在空气中的变形和明胶微凝胶颗粒在水中，精度高到足以揭示的表面/界面效应在材料变形的意义。非局部纳米精度的局部冲击变形传感技术为复杂材料系统力学响应研究带来了新的机遇。
2019-01-10 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci quant-ph
Monitoring spin coherence of single nitrogen-vacancy centers in nanodiamonds during pH changes in aqueous buffer solutions
我们报告了纳米金刚石（ND）量子传感器在不同pH值的缓冲水溶液中的量子退相干光谱和测温两种检测方案的传感稳定性。在25 nm大小的ND中的单个氮空位（NV）中心的电子自旋性质的特征在于通过自旋测量兼容灌注（SMCP）室，其中在不同的缓冲溶液中观察相同的单个ND是可能的。利用该系统，我们已经确定了NV量子传感器在pH从4变化到11期间的稳定性，其自旋相干时间（$T_2$）和共振频率（$ω_0$）的平均值的波动为± 12%和± 0.2 MHz，这与测量系统的仪器误差相当。在这里，我们讨论的重要性，在pH值变化过程中的传感稳定性的特征，以及如何影响目前的观察ND为基础的NV量子传感。
2019-03-25 cond-mat.mes-hall quant-ph
Long Spin Coherence and Relaxation Times in Nanodiamonds Milled from Polycrystalline $^{12}$C Diamond
研究同位素纯化多晶球磨纳米金刚石中单个NV-负中心在室温下的长自旋相干与弛豫时间，测得$T_2$达78微秒，为细胞内传感等环境应用提供基础。
2023-04-20 quant-ph
Microwave-free imaging magnetometry with nitrogen-vacancy centers in nanodiamonds at near-zero field
Jagiellonian University（雅盖隆大学）；Institute of Physics, Jagiellonian University（雅盖隆大学物理研究所）；University of California, Berkeley（加州大学伯克利分校）
本研究利用纳米金刚石中NV色心的零场交叉弛豫特性，实现了无微波宽场成像磁力计，在近零场下达到4.5 μT/√Hz灵敏度，为生物和导电样品提供无干扰磁场成像方案。
2024-09-03 quant-ph
Hybrid nanodiamond-YIG systems for efficient quantum information processing and nanoscale sensing
金刚石中的氮空位（NV）中心具有显著的量子相干性，是室温量子计算和量子传感的理想候选者，近年来得到了广泛的研究。然而，这些方案依赖于自旋-自旋偶极相互作用，这需要NV中心彼此在几纳米内，同时仍然可以单独寻址，或者靠近金刚石表面，在那里它们的相干性显著降低。在这里，我们展示了一种方法，用于克服这些限制，使用混合钇铁石榴石（YIG）-纳米金刚石量子系统的帮助下，直接组装和转印技术构建。我们表明，YIG自旋波可以放大微波源的振荡场超过两个数量级，并有效地介导其与NV中心系综的相干相互作用。这些结果表明，铁磁体中的自旋波可以用作增强的远程量子比特相互作用的量子总线，为混合量子网络和传感设备中固态缺陷的超高效操纵和耦合铺平了道路。
2017-01-25 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
Creation of Negatively Charged GeV and SnV centers in Nanodiamonds via Ion Implantation
本文通过离子注入在纳米金刚石中制备GeV和SnV色心，实现高纯度单光子发射，为纳米尺度量子光子学与传感应用奠定基础。
2025-04-09 quant-ph
Electron spin control of optically levitated nanodiamonds in vacuum
金刚石氮空位中心的电子自旋是纳米传感和量子信息的重要量子资源。将NV自旋与悬浮光机械谐振器相结合将为新的应用提供混合量子系统。在这里，我们光学悬浮纳米金刚石，并证明其内置的NV中心在低真空电子自旋控制。我们观察到，电子自旋共振（ESR）的强度增强时，空气压力降低。为了更好地理解这个系统，我们研究了陷阱功率的影响，并在校准应变效应后用ESR测量了悬浮纳米金刚石的绝对内部温度。我们还观察到，氧气和氦气的纳米金刚石NV中心的光致发光和ESR对比度有不同的影响，表明NV中心在氧气传感的潜在应用。我们的结果为研究宏观量子力学的悬浮自旋光机系统铺平了道路。
2016-05-19 cond-mat.mes-hall physics.optics quant-ph
Scalable universal quantum gates between nitrogen-vacancy centers in levitated nanodiamonds arrays
本文提出一种基于光悬浮纳米金刚石阵列的可扩展架构，利用扭转振动介导远距离NV中心间的相干耦合，结合磁场实现自旋-扭转耦合，实现了保真度超99%的双比特量子门。
2025-09-16 quant-ph
Simultaneous Determination of Local Magnetic Fields and Sensor Orientation with Nitrogen-Vacancy Centers in Nanodiamond
Washington University in St. Louis（圣路易斯华盛顿大学）；Purdue University（普渡大学）
本研究针对纳米金刚石NV中心随机取向导致的大规模传感器校准难题，提出需至少4个偏置场以同时确定晶轴与局域矢量磁场的方法，经实验验证后为纳米金刚石的先进应用奠定了基础。
2026-09-07 physics.bio-ph quant-ph
Proposal for quantum many-body simulation and torsional matter-wave interferometry with a levitated nanodiamond
自旋-力学杂化系统在传感、宏观量子力学和量子信息科学等领域具有巨大的应用潜力。为了在电子自旋和机械振荡器的质心运动之间诱导强耦合，通常需要大的磁梯度，这是难以实现的。在这里，我们表明，强耦合的氮空位（NV）中心的电子自旋和光悬浮纳米金刚石的扭转振动之间可以实现在一个均匀的磁场。由于均匀的磁场，多个自旋可以同时强烈地耦合到扭转振动。我们建议利用这种新的耦合机制来实现Lipkin-Meshkov-Glick（LMG）模型的NV中心在悬浮的纳米金刚石的合奏。利用该系统可以观察到LMG模型中的量子相变和有限数效应。我们还提出利用自旋-扭转耦合产生扭转叠加态，实现扭转物质波干涉。
2017-08-14 quant-ph
Quantum sensing in a physiological-like cell niche using fluorescent nanodiamonds embedded in electrospun polymer nanofibers
含有氮空位（NV）中心的荧光纳米金刚石（fND）是生物环境中量子传感的有希望的候选者。然而，迄今为止，在将fND的传感能力与实验室中使用的仿生底物结合以支持生理上代表性的细胞行为方面几乎没有取得进展。这项工作描述了电纺聚乳酸-共-乙醇酸（PLGA）纳米纤维的制造和实施嵌入fND的光学量子传感在一个环境中，概括了纳米结构和形貌的细胞龛。通过在PLGA的不同组合中混合fND来制备一系列用于静电纺丝的溶液，并且表明fND分布高度依赖于PLGA和溶剂浓度。鉴定产生均匀分散的fND的制剂，并随后电纺成纳米纤维。使用荧光显微镜和扫描电子显微镜（SEM）表征所得fND纳米纤维。量子测量也通过光学检测磁共振（ODMR）和纵向自旋弛豫法进行。使用连续波ODMR检测fND纳米纤维外部的时变磁场，以证明嵌入式fND的感测能力。FND嵌入的纳米纤维在生理环境中用作生物传感器的潜在效用通过其支持分化的神经干细胞的高度存活群体的能力来证明，分化的神经干细胞是能够产生电活性神经元回路的主要治疗群体。在活细胞存在下从fND成功获得ODMR光谱也在分化的神经干细胞的培养物上得到证实。
2018-12-05 physics.app-ph q-bio.QM quant-ph
Engineering Nanodiamonds for Quantum Sensing: Material Constraints at the Nanoscale
Okayama University（冈山大学）；Humboldt-Universität zu Berlin（柏林洪堡大学）；The University of Tokyo（东京大学）；University of Tsukuba（筑波大学）；Chapman University（查普曼大学）；UNSW Sydney（新南威尔士大学）；Ferdinand-Braun-Institut (FBH)（费迪南德·布劳恩研究所）
该研究聚焦纳米金刚石中氮-空位中心的材料约束机制，提出缓解策略，推动其作为移动量子传感器在生物传感与纳米尺度科学中的可靠应用。
2026-08-06 physics.app-ph physics.chem-ph quant-ph
Long Spin Relaxation Times in CVD-Grown Nanodiamonds
Hasselt University（哈瑟尔特大学）；Institute for Materials Research (IMO), Hasselt University（哈瑟尔特大学材料研究所）；Institute of Organic Chemistry and Biochemistry of the CAS（捷克科学院有机化学与生物化学研究所）
研究通过改进的CVD生长技术制备出尺寸约60nm的纳米钻石，其自旋纵向弛豫时间达到800μs，最大超过1.8ms，显著优于商用纳米钻石。同时探讨了重氮掺杂壳层的制备及规模化生产问题。
2026-05-12 cond-mat.mes-hall 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
Nanoscale magnetometry through quantum control of nitrogen-vacancy centres in rotationally diffusing nanodiamonds
量子物理学和生物学的融合正在推动新一代基于量子的传感和成像技术，这些技术能够利用量子效应的力量，为理解生命的基本过程提供工具。这一领域最有前途的系统之一是金刚石中的氮空位中心-一种天然的自旋量子位，它具有在环境生物条件下进行纳米级传感的所有正确属性。通常，氮空位量子比特被固定在严格控制/隔离的实验条件下。本文研究了随机扩散金刚石薄膜中氮空位磁场的量子控制原理。我们发现，几何相位的积累，由于纳米金刚石的旋转起着至关重要的作用，在应用中的扩散纳米金刚石作为生物标记和磁力计。具体而言，我们表明，自由扩散的纳米金刚石可以提供实时信息的本地磁场和它自己的旋转行为，连续光学检测的磁共振监测之外，在并行操作作为荧光生物标志物。
2012-07-23 cond-mat.mes-hall physics.bio-ph physics.flu-dyn
Amplified Sensitivity of Nitrogen-Vacancy Spins in Nanodiamonds using All-Optical Charge Readout
含有氮空位（NV）中心的纳米金刚石为从纳米磁性到细胞过程的体内监测的传感应用提供了一个通用平台。然而，在许多情况下，弱的光学信号和差的对比度需要很长的采集时间，从而阻碍了环境动态的测量。在这里，我们证明了能够执行快速，高对比度的光学测量的电荷分布在合奏的NV中心在纳米金刚石和使用的技术，以提高自旋读出信噪比，通过自旋-电荷转换。对38个纳米金刚石的研究，每个纳米金刚石拥有10-15个平均直径为40 nm的NV中心，揭示了由于辐射和非辐射电离和复合过程而引起的复杂的多时间尺度动力学。尽管如此，纳米金刚石普遍表现出电荷依赖的光致发光对比度和使用自旋-电荷转换增强自旋读出的潜力。我们使用的技术，以加快$T_1$弛豫测量的五倍。
2017-09-01 cond-mat.mes-hall quant-ph
Effect of surface oxidation on electron spin coherence of single nitrogen-vacancy centers in nanodiamonds
荧光纳米金刚石（ND）是基于晶体缺陷的发光纳米颗粒，可应用于量子信息科学和量子传感。特别令人感兴趣的是氮空位（NV）中心，允许光学访问其相干可控的电子自旋系统，导致自旋光子量子器件和纳米级传感的各种物理参数。然而，NV自旋相干时间（T2）在ND已被限制为一个或两个数量级短于那些在散装钻石由于复杂的表面效应，使NV自旋系统去相干。在这里，我们通过系统地分析表面氧化的影响，研究了表面性质与ND中单个NV中心的T2之间的关系。我们应用有氧和酸性氧化方法与各种加热温度和处理时间，发现有氧氧化最有效地氧化的表面和延长T2的1.6倍，原来的ND。的ND尺寸依赖性的T2清楚地表明，表面氧化去除恒定的退相干贡献，而不管ND尺寸和一个新的表面衍生的退相干源出现时，ND尺寸降低到50 nm以下。目前的研究结果提供了定量信息的NV自旋系统的NDs的退相干源，并将使一个战略性的表面改性的背景下，更好地自旋操纵的NV中心的量子信息科学和纳米量子传感。
2018-11-07 cond-mat.mes-hall quant-ph
Optically Detected Magnetic Resonance Imaging and Sensing Within Functionalized Additively Manufactured Microporous Structures
针对体晶量子传感平台布局和维度受限的问题，提出用含NV纳米金刚石功能化多光子光刻微结构的方法，制备出三维gyroid量子传感结构，实现体成像、ODMR光谱提取及高灵敏度温度测量，为复杂三维环境多模态传感提供新途径。
2025-02-23 physics.optics 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
Nanodiamond-based spatial-temporal deformation sensing for cell mechanics
针对传统AFM压痕法的不确定性及现有非局部形变传感无法用于活细胞的问题，开发了时空分辨的动态非局部形变传感方法，发现活细胞压痕响应中的表面张力效应，为相关力学与生物学研究奠定基础。
2024-08-20 physics.bio-ph quant-ph
Error Corrected Spin-State Readout in a Nanodiamond
量子态读出是量子技术的关键组成部分，包括在传感、计算和安全通信中的应用。可以通过重复读出来增强读出保真度。然而，重复读出的数量受到测量反作用的限制，测量反作用改变了被测量的量子态。这种不利影响可以通过将量子态存储在辅助量子比特中来克服，选择辅助量子比特以抵抗测量反作用并允许纠错。在这里，我们保护电子自旋状态的金刚石氮空位中心的测量反作用使用一个强大的多级14 N核自旋存储器和执行重复读出，如在以前的工作中所示的散装金刚石设备。我们实现了额外的保护，使用纠错的基础上的量子逻辑的相干反馈反向测量反作用。重复的自旋读出方案提供了一个13倍的增强读出保真度超过传统的读出和纠错的2倍的改善信号。这些实验证明了在~25 nm纳米金刚石内与其宿主14 N核自旋耦合的氮空位中心电子自旋的完全量子控制，为纳米级量子传感创建了灵敏且生物相容的平台。我们的误差校正重复读出方案是特别有用的四极核磁共振成像在低磁场制度，传统的重复读出遭受强测量反作用。更广泛地说，这里描述的用于校正纵向（位翻转）误差的方法可以用于改进需要非易失性本地存储器的量子算法，例如用于高分辨率感测的相关光谱测量。
2018-12-31 cond-mat.mes-hall quant-ph
Excitation of surface plasmon polariton modes with multiple nitrogen vacancy centers in single nanodiamonds
金刚石中的氮空位（NV）中心由于其非常适合于量子信息处理和磁场传感中的应用以及代表稳定的荧光源的显著特性而令人感兴趣。纳米金刚石（ND）中的多个NV中心由于其化学中性、亮度和室温光稳定性而特别用作生物荧光团。此外，含有多个NV中心的ND在高精度磁场和温度传感方面也具有潜力。将NV中心耦合到传播的表面等离子体激元（SPP）模式为芯片实验室传感设备提供了基础，允许增强的荧光发射和收集，这可以进一步提高基于NV的传感器的精度。在这里，我们调查耦合的多个NV中心在个别ND的SPP模式支持的银表面保护的薄介电层和金V型槽（VG）通过自终止硅蚀刻。在第一种情况下，我们集中在监测从源ND，这是由泵浦激光器照射，并从散射ND仅由荧光激发的SPP辐射照射获得的荧光光谱的差异。在第二种情况下，我们观察到的平均NV寿命的变化时，相同的ND的特点是外部和内部的VG。还观察到VG末端的荧光发射，这证实了NV耦合到VG支持的SPP模式。
2016-09-15 cond-mat.mes-hall physics.optics quant-ph
Discriminative Addressing of Versatile Nanodiamonds via Physically-Enabled Classifier in Complex Bio-Systems
本文提出一种基于物理使能分类器的全光调制成像方法，通过判别性寻址NV荧光以滤除背景噪声，在复杂生物系统中实现信号背景比近10^6倍提升和ODMR对比度4倍改善。
2024-08-02 physics.app-ph physics.optics quant-ph
Template-Assisted Self Assembly of Fluorescent Nanodiamonds for Scalable Quantum Technologies
提出一种毛细管驱动的模板辅助自组装方法，实现直径低于50 nm的纳米金刚石在毫米级区域的精确有序排列，并基于200余个样品的统计测量揭示了NV中心性质与尺寸无关，为量子器件集成奠定基础。
2021-11-29 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci physics.optics
Designing Optically Addressable Nitrogen-Vacancy Centers in Ultra-Small Nanodiamonds: Insights from First-Principles Calculations
通过第一性原理电子结构与随机振电计算，揭示表面终止和颗粒间距对超小纳米金刚石中NV−电荷稳定性及光学可寻址性的影响。
2024-12-02 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci physics.chem-ph
Nanodiamonds carrying quantum emitters with almost lifetime-limited linewidths
具有光学活性缺陷的纳米金刚石（ND）是应用于量子传感、生物成像和量子光学的重要技术材料。带负电荷的硅空位（SiV）缺陷已知在分子大小的ND（1至6nm）中发荧光，并且其光谱性质取决于周围的主体晶格的质量。因此，这个缺陷是一个很好的探针，以研究小ND的材料特性。在这里，我们报告了前所未有的狭窄的光学过渡SiV色心托管在纳米金刚石使用一种新的高压高温（HPHT）技术。SiV零声子线被测量为具有1.05 nm的不均匀分布，在5 K的许多ND的样品。对于小于200 nm的纳米金刚石中的SiV中心，测量到窄至354 MHz的单个谱线，这比先前报道的纳米金刚石的最佳SiV线窄四倍。校正表观光谱扩散产生了一个均匀的linewith约200 MHz，这是接近的辐射寿命所施加的宽度限制。这些结果表明，直接HPHT合成技术能够生产具有高晶格质量的纳米金刚石，因此其是有价值的技术材料。
2016-12-12 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci physics.optics
Electron spin resonance of nitrogen-vacancy centers in optically trapped nanodiamonds
使用光镊装置，我们展示了三维控制的纳米金刚石在溶液中的同时读出的基态电子自旋共振（ESR）跃迁的金刚石氮空位（NV）的颜色中心的合奏。尽管运动和随机取向的NV中心悬浮在光阱中，我们观察到不同的峰在测量的ESR光谱定性类似于相同的测量散装。考虑到随机动力学，我们模拟了在外部施加的磁场中观察到的ESR谱，以使溶液中的直流磁力测定法成为可能。根据ESR谱线形状的变化，我们估计直流磁场灵敏度约为50微特斯拉/赫兹^[1/2]。该技术可以提供用于在流体环境和生物物理系统中进行基于自旋的磁、电和热感测的途径，现有的扫描探针技术无法实现该途径。
2012-06-07 cond-mat.mtrl-sci physics.optics quant-ph
Ultrabright room-temperature single-photon emission from nanodiamond nitrogen-vacancy centers with sub-nanosecond excited-state lifetime
从耦合到等离子体纳米天线的量子发射器获得的超快发射速率最近在量子信息和传感应用中从根本上打开了新的可能性。等离子体纳米天线通过显著缩短量子发射器的荧光寿命来大大提高其亮度。支持强限制模式的间隙等离子体纳米腔对于这样的应用特别感兴趣。我们证明了从纳米金刚石中的氮空位（NV）中心耦合到纳米尺寸的间隙等离子体腔的单光子发射，其内部模式体积比立方真空波长小约10000倍。由此产生的结构具有亚纳秒NV激发态寿命和高达每秒5000万计数的检测光子速率。荧光饱和度的分析允许提取由纳米天线提供的多阶激发速率增强。效率分析表明，NV中心在远场每秒产生高达2.5亿个光子。
2017-12-02 physics.app-ph physics.optics quant-ph
Room temperature "Optical Nanodiamond Hyperpolarizer": physics, design and operation
动态核极化（DNP）是一套功能强大的技术，可在NMR和MRI中提供多重信号增强。所产生的非热自旋态也可以用于量子传感和作为探针的多体物理。典型的DNP方法需要使用冷冻剂、大磁场和高功率微波，这些都是昂贵且笨重的。富含氮空位（NV）中心的纳米金刚石颗粒作为替代DNP试剂已经引起关注，因为它们可以在室温下潜在地光学超极化。事实上，实现微型“光学纳米金刚石超偏振器”，其中13 C核被光学超偏振一直是一个长期的目标，但在技术上具有挑战性。在这里，揭示了在[Ajoy等人，sci. Adv. 4，eaar5492（2018）]，我们报告了这种器件在超紧凑的占地面积中的实现，并且在室温下完全工作。仪器的要求是非常温和的：低偏振场，极低的光学和微波辐射功率，以及方便的频率范围，使设备小型化。我们得到最好的报告光学13 C超极化的金刚石颗粒超过720倍的热7T值（0.86%体极化），对应于一千万倍的NMR平均时间增益。此外，超极化信号可以被背景抑制超过两个数量级，并保持多分钟长的时间。除了在量子传感和亮对比度MRI成像中的引人注目的应用外，这项工作还为低成本DNP平台铺平了道路，该平台将13 C极化传递到与高表面积颗粒接触的液体。这将最终允许开发用于化学分析的微型“量子辅助”NMR光谱仪。
2018-11-26 physics.atom-ph physics.chem-ph quant-ph
Intelligent Inverse Design of Multi-Layer Metasurface Cavities for Dual Resonance Enhancement of Nanodiamond Single Photon Emitters
Institute of Materials Research and Engineering, Agency for Science, Technology, and Research (A*STAR)（材料研究与工程研究所，科学与技术研究局（A*STAR））
针对纳米金刚石单光子发射器发射效率受限问题，提出基于混合深度神经网络的NanoPhotoNet-Inverse逆向设计框架，高效设计多层超表面双共振腔，实现发射性能大幅提升，支撑量子技术领域光子器件智能研发。
2025-11-19 physics.optics quant-ph
Super-resolution enabled widefield quantum diamond microscopy
针对宽场量子金刚石显微术受限于光损伤和空间分辨率的问题，本文提出基于数字微镜器件结构照明的超分辨WQDM，实现了高成像速度、低光毒性、高信噪比，并成功对常规方法无法区分的纳米金刚石进行超分辨量子传感测量。
2023-07-27 physics.optics quant-ph
Optically-Trapped Nanodiamond-Relaxometry Detection of Nanomolar Paramagnetic Spins in Aqueous Environments
针对水溶液环境中纳米尺度传感的挑战，提出在光捕获荧光纳米金刚石中利用氮空位中心进行弛豫测量，实现对顺磁离子Gd3+的高度可重复纳摩尔灵敏度检测，并结合理论模型为生物相关条件下的顺磁离子传感奠定基础。
2024-11-20 physics.bio-ph quant-ph
Sensing of single nuclear spins in random thermal motion with proximate nitrogen-vacancy centers
金刚石中的氮空位（NV）中心已经成为检测和极化自旋的有价值的工具。在化学，生物学和医学的潜在应用的动机，我们表明，基于NV的传感器能够检测单自旋目标，即使他们在周围的热环境中进行扩散运动。专注于实验相关的扩散制度，我们推导出一个有效的模型的NV-目标相互作用，进入模型的参数是从目标运动的数值模拟。我们的方法的实用性通过分析两个现实的实验方案证明：（i）时间分辨传感的氟核自旋绑定到N-杂环卡宾-钌（NHC-Ru）催化剂，固定在金刚石表面和（ii）检测电子自旋标记的NV中心在纳米金刚石，都连接到一个振动的趋化因子受体在热运动。我们发现，特别是从NHC-Ru载体分子的氟目标的脱离可以监测与几秒钟的时间分辨率。
2016-03-09 quant-ph
Real-time Simultaneous Dual Sensing of Temperature and Magnetic Field using NV-based Nano-diamonds
本文利用振幅调制锁相检测NV纳米金刚石的光探测磁共振信号，建立温度与零场分裂参数、磁场与共振频率差的关系，实现温度与磁场的实时同步双参量传感，并展示其在磁性材料研究、IC失效分析和细胞生理学中的应用前景。
2024-08-30 quant-ph
Nitrogen-Vacancy Emission from Nanodiamond: Size, Depth, and Surroundings
RMIT University（皇家墨尔本理工大学）；RMIT Applied Quantum Technologies Centre, RMIT University（皇家墨尔本理工大学应用量子技术中心）；Australian Research Council Centre of Excellence for Nanoscale BioPhotonics, RMIT University（皇家墨尔本理工大学澳大利亚研究理事会纳米生物光子学卓越中心）
研究揭示纳米金刚石中氮空位发射受尺寸、深度和周围环境影响，提出混合模型整合电磁模拟与量子光学理论，推动量子发射器光物理的理解。
2025-12-09 cond-mat.mes-hall physics.optics quant-ph
From Solid-State Spin Defects to Fluorescent Proteins: A Perspective on Quantum Optical Sensing Platforms for Biomedical Applications
Indian Institute of Technology Bombay（印度理工学院孟买分校）
该综述展望了量子光学传感从固态自旋缺陷平台向生物集成系统的转变，介绍了相关技术进展、生物相容性改进及应用挑战，为生物医学量子传感发展提供视角。
2026-10-09 physics.optics quant-ph
Sensing electrochemical signals using a nitrogen-vacancy center in diamond
具有高灵敏度的化学传感器，可以在极端条件下使用，并且可以小型化，在科学和工业中具有很高的兴趣。金刚石中的氮空位（NV）中心由于其电子自旋的长相干时间和光学可及性而成为纳米传感器的理想候选者。在这项理论工作中，我们建议使用NV中心来检测从电解质溶液中出现的电化学信号，从而获得浓度传感器。为此，我们建议使用NV中心（$1/T^*_2$）的电子自旋的非均匀退相速率作为信号。我们表明，对于一个范围内的平均离子浓度的电解质溶液中的大部分，电场波动产生的扩散波动的局部浓度的离子，导致移相率，可以推断从自由感应衰减测量。此外，我们表明，对于一系列的浓度，在NV中心的位置处产生的电场也可以用来估计离子的浓度。
2021-02-15 cond-mat.mes-hall quant-ph
Quantum entanglement distribution using a magnetic field sensor
基于纳米金刚石中的晶体缺陷，特别是氮空位（NV）中心的传感器可以实现单个磁矩的检测。在这里，我们表明，这种精致的控制可以用来纠缠远程电子自旋的应用在量子计算;移动传感器提供了一个"飞行"的量子位，而感测本地字段的行为构成一个两个量子位的投影测量。因此，尖端介导了良好分离（因此良好控制）的量子比特阵列之间的纠缠。我们的计算确定，这样的设备将是非常强大的对现实的问题，如失相和多模态振动的传感器尖端。我们还提供了计算，建立在不久的将来与固定的传感器进行演示实验的可行性。
2011-06-03 quant-ph
Wide-field magnetometry with nitrogen-vacancy centers in randomly oriented micro-diamonds
近年来，金刚石中氮空位色心的磁学研究引起了人们极大的兴趣。磁场的三维定向的绝对知识对于许多应用是必要的。传统的磁力测量通常使用具有薄NV层的块状金刚石中的NV集合或金刚石尖端形式的扫描探针来执行，这需要光滑的样品表面和探测装置的接近度，通常限制了感测能力。在这里，我们提出了一种用于确定相对于金刚石晶格的磁场矢量的三维取向的方法。我们证明了沉积在平面上的任意取向的亚微米尺寸的金刚石粉末中的NV中心可以用于感测磁场。我们的工作可以扩展到不规则的表面，这显示了一个有前途的路径纳米金刚石为基础的光子传感器。
2022-10-30 quant-ph
Realtime magnetic field sensing and imaging using a single spin in diamond
局域单自旋的塞曼分裂可用于构造磁力计，其允许以几乎原子的空间分辨率高精度测量磁场。虽然亚μ T灵敏度原则上可以使用脉冲技术和长测量时间获得，但对于具有高空间分辨率的扫描探针方法，需要快速且易于使用的方法，而无需费力的数据后处理。为了实时测量共振频率，我们对纳米金刚石中单个电子自旋的连续波ODMR信号施加了场频锁定。在我们的实验中，我们实现了高达每秒100个读数的采样率，灵敏度为6 μ T/$\sqrt{Hz}$。利用这种方法，我们已经成像的微观磁场分布的磁线周围。在10分钟内获得具有\sim 30 μ T分辨率和4096个亚微米尺寸像素的图像。通过测量同一物体上多个自旋的场响应，我们能够部分重建场的方向。
2011-01-25 physics.ins-det quant-ph
All-optical quantum sensing of rotational Brownian motion of magnetic molecules
通过小分子的运动响应来感知局部环境为许多基础技术奠定了基础。例如，局部粘性的信息包含在分子的随机旋转布朗运动中。然而，检测的运动是具有亚纳米尺度或高运动速率的分子的挑战。在这里，我们提出并实验证明了一种新的方法来检测快速旋转布朗运动的小磁性分子。用电子自旋作为传感器，我们能够检测运动速率的变化，这产生不同的噪声谱，因此产生传感器的不同弛豫信号。作为一个证明的原理演示，我们实验实现了这种方法来检测纳米金刚石中的氮空位（NV）中心的钆（Gd）络合物分子的运动。通过对NV中心纵向弛豫的全光学测量，我们区分了具有不同粘度的二元溶液。我们的方法为探测亚纳米尺寸的磁性分子的快速运动铺平了一条新的途径，具有比传统光学方法更好的空间分辨率。它也为设计更好的磁共振成像造影剂提供了一种新的工具。
2019-07-11 physics.app-ph quant-ph
Probing the local density of states in three dimensions with a scanning single quantum emitter
它们的内在性质使单量子系统成为量子增强传感和显微镜的理想工具。作为额外的益处，它们的尺寸通常在原子尺度上，这使得能够以非常高的空间分辨率进行感测。在这里，我们报告利用一个单一的氮空位中心纳米金刚石进行三维扫描探针荧光寿命成像显微镜。通过测量单个发光体寿命的变化，获得了纳米尺度上的局域光态密度信息。这种收集光态局部密度信息的技术对于理解基本量子光学过程以及新型光子和等离子体器件的工程设计都很重要。
2013-03-04 cond-mat.mes-hall physics.optics quant-ph
Machine-learning-enhanced quantum sensors for accurate magnetic field imaging
The University of Tokyo（东京大学）
磁场的局部检测对于表征纳米和微米材料至关重要，并且已经使用各种扫描技术甚至金刚石量子传感器来实现。金刚石纳米颗粒（纳米金刚石）提供了一个有吸引力的机会，以实现高空间分辨率，因为它们可以很容易地接近目标在几个10 nm内，只需将它们附着到其表面。这种随机取向的纳米金刚石系综（NDE）的物理模型是可用的，但实际实验条件的复杂性仍然限制了推导磁场的准确性。在这里，我们展示了具有1.8 $μ$ T高精度的磁场成像，结合了NDE和机器学习，而无需任何物理模型。我们还发现了磁场方向的NDE信号的依赖性，建议潜在的应用矢量磁强计和现有模型的改进。我们的方法进一步丰富了NDE的性能，以实现可视化原子层材料中的介观电流和磁性的准确性，并扩展了在任意形状的材料，包括活生物体中的适用性。这一成就将连接机器学习和量子传感，以实现精确测量。
2022-02-01 cond-mat.mtrl-sci cs.LG quant-ph
Temporal filtered quantum sensing with the nitrogen-vacancy center in diamond
Beijing Academy of Quantum Information Sciences（北京量子信息科学研究院）；State Key Laboratory of Precision Spectroscopy, East China Normal University（精密光谱科学和技术国家重点实验室，华东师范大学）
针对高背景荧光环境下NV量子传感性能下降问题，提出结合脉冲激光激发与时间门控技术抑制背景荧光，使信噪比提升4倍、测量时间减少16倍，显著提升了体外诊断等应用中的读出效率。
2025-11-04 physics.app-ph physics.optics quant-ph
Q-BiC: A biocompatible integrated chip for in vitro and in vivo spin-based quantum sensing
Cavendish Laboratory, University of Cambridge（剑桥大学卡文迪许实验室）；Department of Biochemistry, University of Cambridge（剑桥大学生物化学系）
Q-BiC是一种生物相容性集成芯片，用于体外和体内基于自旋的量子传感，实现无损伤的生物系统测量。
2024-06-03 physics.bio-ph quant-ph
Verification of single-photon path entanglement using a nitrogen vacancy center
本文提出利用纳米金刚石中氮空位中心产生的单光子，结合连续波激光激发和时间窗口方法，实验生成并验证了双粒子路径纠缠态，为光子量子信息处理提供了无需脉冲激光的新路径。
2025-07-10 physics.app-ph quant-ph
Ultranarrow Bright Single-Photon Emitters in Diamond with Strong Broadband Phonon Decoupling
University of California Los Angeles（加州大学洛杉矶分校）；CNRS（法国国家科学研究中心）；INSA CVL（中央理工大学瓦勒德卢瓦尔分院）；Université de Tours（图尔大学）；L.F. Vereshchagin Institute for High Pressure Physics, Russian Academy of Sciences（俄罗斯科学院列·弗·韦雷夏金高压物理研究所）；Oak Ridge National Laboratory（橡树岭国家实验室）
本文报道了纳米金刚石中与体声子环境强解耦的单色心，室温线宽低至0.3 nm、饱和发射超10 Mcps，并揭示基于局域振动模式的声子解耦新机制，显著提升量子网络与纳米传感性能。
2025-11-09 physics.app-ph quant-ph
A Deep-Learning-Boosted Framework for Quantum Sensing with Nitrogen-Vacancy Centers in Diamond
Washington University, St. Louis（华盛顿大学）；Washington University School of Medicine（华盛顿大学医学院）；Washington University McKelvey School of Engineering（华盛顿大学麦凯尔维工程学院）
本文提出一种基于一维卷积神经网络的深度学习框架，用于实时分析光学检测磁共振谱，提升低信噪比下的参数提取效率与鲁棒性，应用于细胞内温度监测和高温超导体磁成像。
2026-03-16 physics.app-ph physics.comp-ph physics.data-an
Self-assembling hybrid diamond-biological quantum devices
实现金刚石中氮空位中心的可扩展排列是实现高效量子信息处理、量子模拟和量子传感应用的关键挑战。尽管已经开发了基于在块状金刚石晶体中植入NV中心或混合器件方法的技术，但它们在可实现的空间分辨率方面受到限制，并且受到实现可扩展性所涉及的复杂技术复杂性的限制。我们提出并演示了一种基于生物系统的自组装能力及其有益的纳米空间分辨率来创建NV中心排列的新方法。在这里，自组装蛋白质结构作为表面功能化纳米金刚石的结构支架，以这种方式允许在纳米级上控制NV结构的创建，并提供桥接生物纳米界面的新途径。一维、二维以及三维结构都在生物结构组装技术的范围内。我们通过实验实现了使用生物蛋白质支架互连纳米金刚石形成规则结构。基于可实现的NV中心距离为11 nm，我们评估了与相邻NV中心的预期偶极耦合相互作用以及预期的退相干时间。此外，通过利用这些耦合，我们提供了一个详细的理论分析多量子比特量子操作的可行性，提出了基于NV固有对称轴的随机分布的单独寻址的可能性，并解决了退相干和不完美耦合所带来的挑战。在最后一部分，我们证明了我们的方案允许高保真创建纠缠，集群状态和量子模拟应用。
2013-08-30 cond-mat.mes-hall quant-ph
Nitrogen Vacancy Centers in Diamond for Quantum Biosensing: Magnetometry Techniques, Platforms and Applications
Department of Physics, Indian Institute of Technology Guwahati（印度理工学院古瓦哈提分校物理系）
该综述聚焦金刚石氮空位中心的量子生物传感，介绍其磁力计技术、平台与应用，探讨核心检测模态、关键挑战及未来前景，为量子传感转化为实用生物医学应用提供方向。
2026-09-07 physics.optics quant-ph
