Single germanium vacancy centres in nanodiamonds with bulk-like spectral stability
本研究针对室温下10-50nm纳米金刚石中的单个锗空位（GeV⁻）中心，表征其光谱、动力学等特性，发现其饱和光子发射率达1.6MHz、偏振可见度92%，且具有类体相的光谱稳定性，可用于量子密钥分发等领域。
2020-10-29 quant-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
Observation of nitrogen vacancy photoluminescence from an optically levitated nanodiamond
我们提出的第一个证据，氮空位（NV）的光致发光纳米金刚石悬浮在自由空间的光偶极阱在大气压下。的光致发光率示出随陷阱激光功率的增加而降低，但与热猝灭过程是不一致的。对于连续波阱，中性电荷状态（NV $^0$）似乎被抑制。截断陷阱激光产生更高的总计数率，并导致NV $^0$和负电荷状态（NV $^-$）的混合。
2013-08-07 physics.optics quant-ph
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
Fluorescence and polarization spectroscopy of single silicon vacancy centers in heteroepitaxial nanodiamonds on iridium
介绍了一种先进的新材料系统，用于金刚石中单硅空位色心的产生和光谱分析。我们利用微波电浆化学气相沈积法来合成异质磊晶奈米钻石，其尺寸约为。横向尺寸为160 nm，厚度约为75纳米。这些定向的“纳米岛”将来自亚波长尺寸的纳米金刚石的增强的荧光提取与限定的晶体取向相结合。所研究的SiV中心在730-750 nm波长范围内显示窄的零声子线，低至0.7 nm。我们详细研究了单SiV中心的声子耦合和振动边带，揭示了显着的非均匀效应。偏振测量揭示了线偏振光的偏振发光和优先吸收。
2011-10-24 cond-mat.mtrl-sci quant-ph
Tunable cavity coupling of a single SnV$^{-}$ center in nanodiamond across bad-emitter and bad-cavity regimes
本研究实现了纳米金刚石中单个SnV$^{-}$色心与可调微腔的受控耦合，观察到从坏发射体到坏腔区间的转变，并在4 K下测得Purcell因子超过1.7，展示了其作为量子网络单光子源的潜力。
2025-07-09 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
Sensitivity-enhanced magnetometry using nitrogen-vacancy ensembles via adaptively complete transitions overlapping
金刚石中的氮空位中心是近年来备受关注的高灵敏度磁敏传感器。在这里，我们证明了灵敏度增强的合奏通过自适应完整的过渡重叠的偏置磁场同样投射到所有现有的NV方向的磁学。在此条件下，对应于不同NV取向的自旋跃迁完全重叠，这将带来明显改善的光致发光对比度。我们进一步将粒子群优化算法引入到校准过程中，使用计算机控制的亥姆霍兹线圈自动自适应地产生这种偏置磁场。通过应用这种技术，我们实现了约1.5倍的增强，并达到磁场灵敏度的$\rm855\ pT/\sqrt{Hz}$为一个完全重叠的过渡相比，$\rm 1.33\ nT/\sqrt{\rm Hz}$为一个单独的过渡上连续波磁强计。我们的方法可以方便地应用于方向固定的磁传感，并获得潜在的最大灵敏度的合奏NV磁力。
2022-11-23 quant-ph
Understanding the magnetic resonance spectrum of nitrogen vacancy centers in an ensemble of randomly-oriented nanodiamonds
含有氮空位（NV-）中心的纳米金刚石显示出许多新兴应用的前景，包括靶向体内成像和产生用于增强NMR光谱和成像的核自旋超极化。在这里，我们开发了一个详细的理解的磁共振行为的NV-中心的纳米金刚石与随机晶体取向的合奏。二维光学检测的磁共振光谱揭示了能级，自旋布居和跃迁概率的分布，产生了一个复杂的频谱。我们确定泛音过渡，本质上是不敏感的晶体取向，并给出定义良好的过渡频率，访问整个纳米金刚石合奏。这些跃迁可以用于高分辨率成像和产生核自旋超极化。数据很好地描述了从零到高场制度，包括中间制度的最大复杂性的数值模拟。我们评估的前景nanodiamond合奏专门为核超极化和频率扫描动态核极化可能会转移大量的NV-中心的超极化核自旋通过扫描其频谱的一个小区域。
2017-07-22 cond-mat.mes-hall quant-ph
Strongly Coupled Spins of Silicon-Vacancy Centers Inside a Nanodiamond with Sub-Megahertz Linewidth
本研究考察纳米金刚石中带负电硅空位中心的自旋环境，实现电子自旋强耦合且退相干率低于1 MHz，并展示构建多自旋量子存储器寄存器的潜力。
2024-01-23 cond-mat.mes-hall physics.optics quant-ph
Size-reduction of nanodiamonds via air oxidation
在这里，我们报告的尺寸减小和影响的氮空位中心的纳米金刚石通过空气氧化使用相结合的原子力和共聚焦显微镜。通过原子力显微镜测量的单个晶体的平均高度减少在600 °C空气氧化在大气压下为10.6nm/h。氧化过程修饰了表面，包括去除非金刚石碳和有机材料，这也导致背景荧光的降低。在纳米金刚石尺寸减小的过程中，我们观察到氮空位中心的湮灭，这为小晶体中色心的形成提供了重要的见解。在这些未照射的样品中，观察到的仍具有稳定的氮空位中心的最小纳米金刚石为8 nm。
2011-04-27 cond-mat.mes-hall quant-ph
Fast relaxation on qutrit transitions of nitrogen-vacancy centers in nanodiamonds
由于其多功能性，纳米金刚石中的氮空位（NV）中心已被广泛采用作为纳米级传感器。然而，它们的灵敏度受到它们相对于块状金刚石中的NV的短相干时间的限制。更全面地了解纳米金刚石中退相干的起源对于提高其性能至关重要。在这里，我们提出的测量快速自旋弛豫qutrit之间的能量本征态组成的$m_s = \pm1$状态的NV $^-$电子基态在$\sim40$ -nm纳米金刚石在环境条件下的跃迁。对于$\sim20~$ MHz或更小的这些状态之间的频率分裂，NV自旋的最大理论上可实现的相干时间是比如果NV自旋被视为量子位所预期的短$\sim2~$数量级。我们将这种快速弛豫归因于电场噪声。我们观察到一个强大的衰减qutrit弛豫速率与分裂之间的状态，这表明，只要可能，测量与纳米金刚石的NV应在中等轴向磁场（$>60$ G）。我们还观察到qutrit弛豫速率随时间的变化。这些发现表明，表面电场噪声是纳米金刚石中NV的退相干的主要来源。
2020-03-06 cond-mat.mes-hall 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
Surface-induced charge state conversion of nitrogen-vacancy defects in nanodiamonds
我们提出了一个单一的氮空位（NV）缺陷托管在纳米金刚石（ND）的电荷态转换的研究。我们首先表明，带负电荷的NV $^{-}$缺陷的比例，相对于其中性对应物NV $^{0}$，随着ND的大小而减小。然后，我们提出了一个简单的模型的基础上的一层电子陷阱位于ND表面，这是在良好的协议与记录的统计。通过使用热氧化去除核周围的无定形碳壳，我们证明了NV $^{-}$缺陷的比例显着增加在10纳米核。这些结果对于进一步了解、控制和利用金刚石中带负电荷的NV缺陷的独特性质是非常宝贵的
2010-10-19 cond-mat.mtrl-sci quant-ph
Nitrogen-Vacancy Ensemble Magnetometry Based on Pump Absorption
我们证明了磁场传感使用的氮空位中心的合奏记录的变化，由于总的基态人口的自旋极化的泵浦光吸收。使用532 nm泵浦激光，我们测量了放置在谐振光学腔中的化学气相沉积金刚石中的天然氮空位中心的吸收。当激光泵浦功率为0.4 W，腔体精细度为45时，获得了$\sim$ 100 nT/ $\sqrt{\textrm{Hz}}$的噪声基底，带宽可达125 Hz。通过优化氮空位浓度和探测方法，我们设计了一种光子散粒噪声限制的灵敏度$\sim$ 1 pT/ $\sqrt{\textrm{Hz}}$。
2017-12-14 quant-ph
Master equation-based model for infrared-based magnetometry with nitrogen-vacancy centers in diamond cavities: a path to sub-picotesla sensitivity at sub-millimeter scales
本研究开发了结合红外光饱和效应的光学探测磁共振主方程模型，用于单片金刚石腔中氮-空位中心测磁，证明其在亚毫米尺度下有望实现亚皮特斯拉级灵敏度。
2024-11-14 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
nanoTesla magnetometry with the silicon vacancy in silicon carbide
碳化硅是一种很有前途的主体材料自旋缺陷的量子传感器，由于其商业可用性和建立的技术，电气和光学微制造设备集成。带负电荷的硅空位由于其近电信光电发射、高自旋数和几乎与温度无关的基态零场分裂而成为碳化硅中研究的主要自旋缺陷之一。我们报告了实现nanoTesla散粒噪声限制的系综磁学的基础上，光学检测的磁共振与硅空位在4 H碳化硅。通过粗略优化退火参数和最小化功率展宽，我们实现了3.5 nT/ $\sqrt{Hz}$的灵敏度。这是在不利用复杂的光子工程、控制协议或施加大于瓦特的激发功率的情况下实现的。这项工作表明，碳化硅中的硅空位提供了一种低成本和简单的量子传感的磁场的方法。
2021-06-17 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
Ultrafast spectral diffusion measurement on nitrogen vacancy centers in nanodiamonds using correlation interferometry
光谱扩散是窄谱线发射波长的随机跳跃现象。这种现象是固态量子发射体如量子点、分子或金刚石缺陷中心在集成量子光学技术中应用的主要障碍。在这里，我们提供了进一步的洞察纳米金刚石中的单氮空位中心的零声子线的光谱扩散的潜在过程，通过使用一种新的方法，基于光子相关干涉。该方法的工作，虽然光谱扩散率是几个数量级高于光子检测率，从而提高了六个数量级的纳米金刚石的先前实验的时间分辨率。我们研究了非共振激发下光谱扩散速率对激发功率、温度和激发波长的依赖性。我们的研究结果提出了一种策略，以增加钻石纳米晶体发射的光谱难以区分的光子的数量。
2012-11-27 cond-mat.mes-hall physics.optics quant-ph
Calibration-Free Vector Magnetometry Using Nitrogen-Vacancy Center in Diamond Integrated with Optical Vortex Beam
本文报道了一种新的方法来确定单个氮空位（NV）中心在大块金刚石中的取向，并利用它们实现了具有纳米级分辨率的免校准矢量磁力计。采用光学涡旋光束对[111]取向金刚石的NV心进行光激发和扫描。不同取向的NV中心的扫描荧光图案是完全不同的。因此，可以直接知道关于晶格中的每个NV中心的取向信息，而无需任何校准过程。此外，我们使用三个不同取向的NV中心，以形成一个磁强计和重建的完整矢量信息的磁场的基础上，光学检测磁共振（ODMR）技术。与以往的方案相比，实现矢量磁测量使用NV中心，我们的方法是更有效的，很容易应用于其他NV为基础的量子传感的应用。
2021-02-04 quant-ph
Cavity-enhanced room-temperature magnetometry using absorption by nitrogen-vacancy centers in diamond
我们提出了一种基于金刚石中氮空位中心的腔增强型室温磁场传感器。使用与1042 nm自旋单态跃迁共振的光的吸收来检测磁共振。将金刚石放置在外部光学腔中以增强吸收，即使在室温下也观察到显著的吸收。我们证明了磁场灵敏度为2.5 nT/sqrt（Hz），并且对于几mW的红外线，设计了70 pT/sqrt（Hz）的光子散粒噪声限制灵敏度，并且对于90 um x 90 um 200 um的感测体积，设计了250 fT/sqrt（Hz）的量子投影噪声限制灵敏度。
2014-01-10 quant-ph
Preparing highly entangled states of nanodiamond rotation and NV center spin
针对NV中心电子自旋与纳米金刚石转动的纠缠需求，本文提出通过绝热提升外磁场渐近制备总量子角动量与电子自旋高纠缠态的协议。
2023-06-05 quant-ph
Long Spin Coherence Times of Nitrogen Vacancy Centres in Milled Nanodiamonds
含有带负电荷的氮空位中心（${\text{NV}}^{-}$）的纳米金刚石具有作为生物材料中的局部传感器的应用，并且已经被提议作为探测空间叠加的宏观极限和重力的量子性质的平台。这些应用的关键要求是获得含有具有长自旋相干时间的${\text{NV}}^{-}$的纳米金刚石。与蚀刻不同，使用铣削来制造纳米金刚石一次处理体材料的全部3D体积，但是到目前为止，具有有限的${\text{NV}}^{-}$自旋相干时间。在这里，我们使用天然同位素丰度纳米金刚石生产的${\text{Si}}_{3}{\text{N}}_{4}$球磨大块金刚石生长的化学气相沉积与平均单取代氮浓度为$121 ~\text{ppb}$。我们发现，电子自旋相干时间的${\text{NV}}^{-}$中心在这些纳米金刚石可以超过$400 ~μ\text{s}$在室温下与动态去耦。扫描电子显微镜提供了含有${\text{NV}}^{-}$的特定纳米金刚石的图像，测量了该纳米金刚石的自旋相干时间。
2022-05-03 cond-mat.mes-hall physics.optics quant-ph
Absorptive laser threshold magnetometry: combining visible diamond Raman lasers and nitrogen-vacancy centres
我们提出了一个高灵敏度的磁力计计划的基础上，钻石拉曼激光器与可见泵浦吸收的相干微波驱动的带负电荷的氮空位中心（NV）在同一金刚石晶体的合奏。NV中心的吸收和发射是自旋相关的。我们展示了NV中心的不同吸收如何改变拉曼激光输出。在外加磁场和微波驱动下，金刚石拉曼激光器的阈值和输出都发生了变化。我们发展了一个理论框架，包括稳态的解决方案来描述相干驱动的金刚石拉曼激光器中的NV中心的影响。我们讨论了这样的激光器工作在阈值可以用于磁场传感。与先前关于具有可见激光吸收的NV磁力测定的研究相比，由于测量信号中的低背景光，预期激光阈值磁力测定方法具有低技术噪声。对于磁场传感，我们项目的散粒噪声有限的直流灵敏度的几个$\mathrm{pT}/\sqrt{\mathrm{Hz}}$在一个良好的校准腔与现实的参数。该传感器采用NV中心的宽可见光吸收，并且与先前的激光阈值磁力测量提案不同，它不依赖于主动NV中心激光发射或NV中心红外吸收线的特定波长处的红外激光介质。
2021-01-20 quant-ph
Optical properties of SiV and GeV color centers in nanodiamonds under hydrostatic pressures up to 180 GPa
我们研究了纳米金刚石中硅空位（SiV）和锗空位（GeV）色心在180 GPa静压下的光学性质。纳米金刚石是通过Si或Ge掺杂的等离子体辅助化学气相沉积合成的，并且对于我们的实验，在金刚石对砧单元中加压。在流体静压下，我们观察到的SiV和GeV的零声子线的蓝移17太赫兹（70 meV）和78太赫兹（320 meV），分别。这些测得的压力引起的位移是在良好的协议与从头计算，考虑到晶格压缩的基础上的状态方程的金刚石，并扩展到锡空位（SnV）中心的情况下。这项工作提供了指导使用IV族空位中心作为量子传感器在极端压力下，将利用其特定的光学和自旋特性诱导其固有的反转对称结构。
2022-11-29 cond-mat.mtrl-sci quant-ph
Observing bulk diamond spin coherence in high-purity nanodiamonds
金刚石中的氮空位中心（NVs）是跨量子信息科学和纳米磁性和温度测量的研究热点。虽然超纯块状金刚石纳米粒子在光学可达自旋中维持最长的自旋相干时间，但纳米金刚石纳米粒子显示出持续较差的自旋相干性。在这里，我们介绍了高纯度纳米金刚石容纳记录长的NV相干时间，>60 us，通过通用动态去耦观察。我们发现，退相干的主要贡献来自附近的氮杂质，而不是表面状态。我们保护NV自旋自由进动，直流磁力测量所必需的，通过驱动这些杂质到运动窄化制度。这将NV自由感应衰减时间从440 ns（比Ib型块状金刚石长）延长到1.27 us（与IIa型（无杂质）金刚石相当）。这些特性允许在基于金刚石的紧急量子技术中同时利用高灵敏度和纳米分辨率。
2013-10-03 cond-mat.mes-hall quant-ph
Preparing single SiV$^{-}$ center in nanodiamonds for external, optical coupling with access to all degrees of freedom
光耦合使得远距离量子发射器之间的中程和长程相互作用成为可能。这种相互作用可能是耦合自旋系统的自下而上方法或集成量子光子学和量子等离子体激元学的基本元素。在这里，我们准备纳米金刚石携带单一的，带负电荷的硅空位中心的倏逝光耦合与访问所有自由度的原子力纳米操纵装置。该色心具有优异的光学性质，可与块状金刚石中的硅空位中心相媲美，导致可分辨的精细结构分裂，共振激发下的线宽接近傅里叶变换极限和良好的偏振对比度。我们确定的轨道弛豫时间$T_{1}$的轨道分裂基态，并表明，所有的光学性质是保守的平移纳米操纵。此外，我们证明了纳米金刚石的旋转。与平移操作相反，旋转导致偏振对比度的变化。我们利用纳米操纵前后偏振对比度的变化来确定旋转角度。最后，我们评估了位于不同纳米金刚石中的硅空位中心的不可区分的单光子发射的可能性。我们的工作使理想的倏逝光，光学耦合的遥远的纳米金刚石含有硅空位中心与量子网络，量子中继器或复杂的量子系统的实现中的应用。
2019-10-02 cond-mat.mtrl-sci quant-ph
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
Photophysics of single nitrogen-vacancy centers in nanodiamonds coupled to photonic crystal cavities
金刚石中的氮空位中心在其负电荷状态下是需要单光子发射体的量子光学实验的有希望的候选者。NV中心的重要优点是即使在室温下也具有高亮度和光稳定性。利用光学谐振器设计NV中心的发射特性是满足量子技术应用要求的一种广泛采用的方法，但对非辐射衰变路径的影响尚待了解。在这里，我们报告修改一个单一的NV中心在纳米金刚石耦合到一维光子晶体腔的内部量子效率。我们评估通过三个独立的测量技术的Purcell增强和共聚焦显微镜在升高的激发功率进行自相关测量。采用一个三能级模型，使我们能够提取的设置效率，个人的过渡率，从而我们的系统的内部量子效率。结合我们的研究结果，我们发现，通过Purcell效应的辐射衰减率的增强的结果在90%的内部量子效率的腔耦合NV中心。我们的研究结果将有助于实现纳米尺度的单光子源与近单位的内部量子效率工作在高重复率。
2020-11-22 cond-mat.mes-hall quant-ph
Spin Squeezing Enhanced Quantum Magnetometry with Nitrogen-Vacancy Center Qutrits
本文研究利用标准 Ramsey 协议和 Lindblad 方程，探讨三能级 NV 中心在退相干下的自旋压缩增强量子磁力测量，发现合理调度压缩与自由演化时间可在无动力学解耦时维持精度优势。
2025-08-09 quant-ph
Noise Suppression via Pulsed All-Optical Magnetometry with Nitrogen-Vacancy Ensembles
University of Maryland, College Park（马里兰大学帕克分校）；Universidad Nacional de Colombia（哥伦比亚国立大学）
提出脉冲全光协议，通过光脉冲内两次光致发光测量抑制共模噪声，在近零磁场下实现低频频噪底相比连续波技术提升10倍，并优化了读出时序与暗时间。
2026-07-03 quant-ph
Optical hyperpolarization of 13C nuclear spins in nanodiamond ensembles
在这里，我们提出并详细分析协议，可以实现快速超极化的13 C核自旋在随机取向的合奏纳米金刚石在室温下。我们的协议利用氮空位中心中电子自旋的光学极化和通过微波控制将这种极化转移到13 C核的组合，以克服纳米金刚石及其氮空位中心的随机取向所带来的严峻挑战。具体地，这些随机取向导致电子自旋能级的极大能量变化，这使得氮空位中心电子自旋的极化和相干控制以及它们与周围13 C核自旋的相干相互作用的控制非常低效。我们解决这些挑战的组合，结合实现的集成固体效应，连同绝热旋转的外部磁场或旋转的纳米金刚石的非共振微波双共振方案，导致一个协议，实现高水平的超极化的整个核自旋浴在随机取向的合奏纳米金刚石，即使在室温下。这种超极化与纳米金刚石中的长核自旋极化寿命和相对高密度的13 C核一起具有导致13 C核磁共振成像中的主要信号增强的潜力，并且表明官能化和超极化的纳米金刚石作为用于体外和体内分子成像的独特探针。
2015-04-09 cond-mat.mes-hall quant-ph
Enhanced Spectral Density of a Single Germanium Vacancy Center in a Nanodiamond by Cavity-Integration
本文利用原子力显微镜纳米操控将含单个GeV$^-$色心的纳米金刚石集成到高精细度法布里-珀罗微腔中，实现48倍光谱密度增强，为高效自旋-光子平台奠定基础。
2023-11-30 physics.optics quant-ph
Real-Time Magnetometry Using Dark States of a Nitrogen Vacancy Center
我们证明了实时磁强计检测荧光从氮空位中心的相干布居陷阱的设置和估计磁场从所观察到的光子计数的时间序列，这是相关的基础领域。原理验证实验使用遵循Ornstein-Uhlenbeck（Ornstein-Uhlenbeck）过程的外部时变磁场。通过考虑光子过程的统计特性，基于贝叶斯推断的估计器可以有效地实时更新场的动态信息，仅检测单个光子。
2021-11-18 cond-mat.mes-hall quant-ph
Strongly inhomogeneous distribution of spectral properties of silicon-vacancy color centers in nanodiamonds
金刚石中的硅空位色心是一种固态单光子发射体和自旋量子比特，适合作为量子器件的组成部分。在这里，我们表明，在纳米金刚石的SiV中心表现出强烈的不均匀分布的中心波长和线宽的零声子线（ZPL）在室温下的发射。我们发现，SiV中心分为两个集群：一组表现出ZPL的中心波长在约730 nm至742 nm的窄范围内，宽线宽在5 nm至17 nm之间，而第二组包括一个非常宽的分布的中心波长在715 nm和835 nm之间，但窄线宽从低于1 nm至4 nm。在量子化学从头算Kohn-Sham密度泛函理论计算的支持下，我们证明了第一组的ZPL位移可以用金刚石晶格中的应变来解释。此外，我们建议，第二组显示中心波长的强烈不均匀分布可能是由修改后的SiV中心。而单光子发射证明了SiV中心的两个集群，我们表明，从不同的集群的发射器显示不同的光谱特征，如声子边带谱的变化和不同的闪烁动力学。
2018-07-10 cond-mat.mes-hall quant-ph
A pulsed lock-in method for ensemble nitrogen-vacancy center magnetometry
本文提出了一种结合锁相检测和脉冲型方案优点的氮空位（NV）中心磁测量方案。从理论和仿真两个角度，所提出的方法的最佳条件，最佳灵敏度，和噪声抑制能力与传统的方法进行了比较。通过实验测量，灵敏度提高了4倍，最小可分辨磁场（MRMF）提高了60倍。通过共焦实验装置，该方案实现了3 nT/Hz 1/2的灵敏度和100 pT的MRMF。
2021-01-07 physics.app-ph quant-ph
Microwave-free vector magnetometry and crystal orientation determination with Nitrogen-Vacancy centers using Bayesian inference
Universidad Carlos III de Madrid（马德里卡洛斯三世大学）；Helmholtz-Institute, GSI Helmholtzzentrum fur Schwerionenforschung（亥姆霍兹研究所，GSI重离子研究中心）；Johannes Gutenberg-Universität Mainz（美因茨约翰内斯古腾堡大学）；Department of Physics, University of California, Berkeley（加州大学伯克利分校物理系）
本文提出一种无需微波的矢量磁强计方法，利用贝叶斯推断直接从发光图中提取磁矢量和NV中心取向，解决了传统方法对微波依赖和对齐限制的问题。
2026-06-17 quant-ph
NV-centers in Nanodiamonds: How good they are
本文提出了一种仅用发光强度测定含发光氮空位（NV）中心的金刚石纳米晶粒度分布的方法。我们还修正了NV中心的基本光物理性质，并得出结论：NV中心的发光量子产率明显小于通常所说的100%。对于嵌入纳米晶体的中心，产率可以低至5%，并且取决于它们的形状和周围介质的折射率。本文还讨论了NV中心的吸收截面的值。
2017-12-21 quant-ph
Testing quantum gravity by nanodiamond interferometry with nitrogen-vacancy centers
大质量粒子的干涉测量可能有潜力探索标准量子力学的局限性，特别是在它与广义相对论和尚待发展的量子引力理论的边界方面。由于缺乏实验证据和可检验的预测，这一发展受到很大阻碍。分析许多这类理论似乎共有的效应，例如在量子力学的标准框架内对能量色散和正则对易关系的修改，被认为是一种可能的前进方向。在这里，我们详细分析了Ramsey-Bordé设置中修改后的能量-动量色散的影响，并在使用纳米金刚石操作这种干涉仪时提供了这些校正项的可实现范围。因此，考虑到热和引力扰动将表明，没有特定的先决条件，量子引力的修改通常可以被抑制，需要修改以前估计的边界。作为一种可能的解决方案，我们提出了一个稳定的设置，而这些影响不敏感。最后，我们解决了在这样的设置中的退相干和脉冲误差的问题，并讨论了随着粒子质量的增加的缩放和优势。
2014-10-08 gr-qc quant-ph
Protecting quantum spin coherence of nanodiamonds in living cells
金刚石中的氮空位（N-V）心由于其在室温下具有良好的相干性和光学性质，成为纳米量子传感的理想探针。然而，将含N-V的纳米金刚石应用于量子传感受到其相对差的自旋相干时间的影响。在这里，我们展示了使用级联连续动态解耦的纳米金刚石中N-V自旋相干性的能量有效保护，其表现出优异的性能，具有不太严格的微波功率要求。当应用于活细胞中的纳米金刚石时，我们能够将自旋相干时间延长一个数量级至高达$30μ$ s的$T_1$极限。进一步的分析表明，伴随着传感性能的改善，这表明我们的研究结果提供了一个重要的一步，在体内量子传感使用纳米金刚石中的N-V中心。
2020-02-12 quant-ph
Bias-field-free operation of nitrogen-vacancy ensembles in diamond for accurate vector magnetometry
针对NV系综矢量磁强计依赖偏置磁场引入漂移误差的问题，提出利用可变脉宽Ramsey序列中微波场方向标记NV取向的无偏置场方法，经模拟和原理实验验证可实现亚nT精度测量，为高精度长时磁测任务奠定基础。
2025-10-22 quant-ph
Zero-field magnetometry based on nitrogen-vacancy ensembles in diamond
金刚石中的氮空位（NV）中心的集合体被广泛用于磁力测量、磁场成像和磁共振检测。它们还没有被用于在零环境场下的磁力测定，因为塞曼子能级失去了对磁场的一阶灵敏度，因为它们由于晶体应变或电场而混合。在这项工作中，我们实现了零场（ZF）磁强计使用极化选择微波激发在12 C富集HPHT晶体样品。我们采用圆偏振微波来处理光学检测磁共振中的特定跃迁，并以250 pT/Hz^（1/2）的噪声基底进行磁力测定。该技术打开了用于ZF磁传感的NV传感器的实际应用的大门，例如ZF核磁共振，以及生物系统中磁场的研究。
2019-07-03 physics.app-ph 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
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
Multipulse Double-Quantum Magnetometry With Near-Surface Nitrogen Vacancy Centers
我们讨论了多脉冲磁强计，利用所有三个磁子级的S=1的氮空位中心的金刚石，以实现增强的磁场灵敏度。该方案基于双频微波脉冲，可在任意偏磁场下工作，对交流磁场的灵敏度是传统二能级磁强计的两倍。我们推导了双频微波激发下的自旋演化算符，并证明了它对双量子态交换的有效性。使用多脉冲序列的128个脉冲在优化的条件下，我们表现出的SNR的增强高达2倍，在检测NMR统计信号，增强4倍理论上是可能的。
2015-07-15 cond-mat.mes-hall quant-ph
Comparing continuous and pulsed nitrogen-vacancy DC magnetometry in the optical-power-limited regime
本研究在光学功率受限条件下比较了连续波与脉冲NV磁测量技术，开发了包含不完全自旋极化的理论模型，发现脉冲操作灵敏度增益约2-3倍，为实际传感器开发提供协议选择指导。
2023-11-10 quant-ph
Scanning nitrogen-vacancy center magnetometry in large in-plane magnetic fields
金刚石中氮空位中心的扫描磁强计已成为研究纳米级弱杂散场模式的强大显微镜。然而，由于自旋缺陷的内部晶体各向异性，外部偏置场-对于磁性材料的研究至关重要-必须沿特定的空间方向施加。特别地，由{100}切割金刚石制成的最常见的金刚石探针仅支持与表面法线成$θ= 55^\circ$角的场。在本文中，我们报告了扫描金刚石探针的{110}切割金刚石的自旋各向异性轴位于扫描平面（$θ=90^\circ$）。我们发现，这些探头保持其灵敏度在大的平面内的领域，并展示扫描磁力计的域图案的Co-NiO膜在施加的领域高达40 mT。我们的工作扩展了扫描NV磁力测量的重要类别的材料，需要大的面内磁场。
2022-01-19 cond-mat.mtrl-sci quant-ph
Nanoscale graphitization and defect evolution in silicon-vacancy center-containing nanodiamonds under high-pressure high-temperature annealing
Chimie ParisTech, UMR CNRS 8247, PSL Research University（巴黎化学研究院）；Synchrotron SOLEIL（索雷尔同步辐射中心）；University of Ottawa（渥太华大学）
该研究通过原位同步辐射X射线衍射确定了含SiV色心的纳米金刚石高温高压退火的石墨化阈值，建立了规避石墨化的工艺窗口，改善了其光学响应以用于量子技术。
2026-08-12 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci physics.optics
Tutorial: Magnetic resonance with nitrogen-vacancy centers in diamond---microwave engineering, materials science, and magnetometry
这篇教程文章提供了一个简洁和教学概述负电荷的氮空位（NV）中心的钻石。NV中心的研究因其在量子传感中的应用而引起了极大的关注，不仅包括物理学和应用物理领域，而且还包括化学、生物学和生命科学领域。尽管如此，其关键技术方面可以从磁共振的角度来理解。我们专注于这一不断扩大的研究领域的三个方面，我们的观点是特别相关的：微波工程，材料科学和磁力学。通过对这些方面的阐述，为NV中心的研究提供了技术基础和最新技术。
2018-02-22 cond-mat.mtrl-sci quant-ph
Optically detected magnetic resonance study of thermal effects due to absorbing environment around nitrogen-vacancy-nanodiamond powders
本文通过注入Fe$^+$并添加Fe$_2$O$_3$和石墨sp$^2$粉末构建吸收环境，利用ODMR和拉曼光谱研究了NV-纳米金刚石粉末中由局部加热引起的共振红移及其与激光功率的关系，揭示吸收环境导致局部温度升高150-180 K的机制。
2024-05-02 cond-mat.mtrl-sci quant-ph
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
Fast scanning nitrogen-vacancy magnetometry by spectrum demodulation
本文提出了一种能谱解调技术，大大提高了扫描氮空位中心磁强计的数据采集速度。我们的方法依赖于快速，宽带频率扫描结合锁相检测的光致发光信号的电子自旋共振的周期性激发。该方法可以通过频率反馈来实现自旋共振的实时跟踪。快速扫描磁力测定法对于信号动态范围大（毫特斯拉量级）的样品特别有用，例如铁磁体或亚铁磁体。我们证明了我们的方法，通过映射以上的模型反铁磁体$α$ -Fe $_2$ O $_3$（赤铁矿）的杂散场在像素速率高达100\，Hz和图像分辨率超过一百万像素。
2022-05-13 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci quant-ph
