Luminescent Ge-related centre in high-pressure synthesized diamond
我们报告的高压合成新的纳米和微晶高品质的金刚石与发光锗相关的中心。在低于80 K的温度下，在2 eV（602 nm）处的发光中观察到四线精细结构，表明金刚石的质量很高。我们证明了锗和碳的同位素位移在602 nm处的发光的精细结构和它的振动边带，这使我们能够明确地将中心与锗杂质进入金刚石晶格。计算结果表明，在该中心的电子结构中存在两个基态能级和两个激发态能级，能级间距为0.7 meV，能级间距为4.6 meV，表明该中心为劈裂空位结构.
2015-10-20 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
Single photon emission from silicon-vacancy centres in CVD-nano-diamonds on iridium
我们介绍了一种通过微波等离子体辅助CVD生长在铱上制备高质量、空间隔离的纳米金刚石的方法。我们进行光谱的单硅空位（SiV）的纳米金刚石生长过程中产生的中心。该色心在室温下具有非常窄的零声子谱线，其波长可达0.7 nm。饱和时的单光子计数率高达4.8 Mcps，使这些SiV中心成为迄今为止最亮的基于金刚石的单光子源。我们首次测量了单个SiV中心的精细结构，从而证实了所研究的色心的原子组成。
2010-11-26 cond-mat.mtrl-sci quant-ph
Investigation of oxygen-vacancy complexes in diamond by means of \textit{ab initio} calculations
本文通过第一性原理密度泛函理论计算系统研究了金刚石中的氧-空位复合物，发现其高自旋基态排除了作为ST1色心起源的可能性，并表征了一种高自旋亚稳态复合物的磁光性质以供未来实验识别。
2023-04-27 cond-mat.mtrl-sci quant-ph
Optically induced spin polarisation of the NV- centre in diamond: role of electron-vibration interaction
金刚石中心（NV-）的新方面是通过光学照明实现的高度自旋极化。在本文中，它示出的自旋极化发生的结果，结合自旋轨道相互作用的电子振动相互作用，并开发一个电子模型，涉及这些相互作用来解释所观察到的极化。
2010-11-12 cond-mat.mtrl-sci quant-ph
Time-averaging within the excited state of the nitrogen-vacancy centre in diamond
测量了含氮空位金刚石样品在不同温度下发射强度随磁场方向的变化<111>。在低温下的响应是样品和应力依赖的，并且可以根据先前对应变依赖的3E激发态精细结构的理解来建模。在室温下的响应在很大程度上是样品和应力独立的，和建模涉及调用一个应变独立的激发态与一个单一的零场分裂为1.42 GHz。行为的变化归因于在激发态轨道二重态的组件的温度依赖的平均过程。它使轨道和自旋分裂，并且在高温下自旋能级变得独立于任何轨道分裂。因此，模型可以被调和，低温和高温的参数被证明是一致的。
2009-02-17 cond-mat.mtrl-sci
Native NIR-emitting single colour centres in CVD diamond
单光子源是发展量子技术的基本要素，基于钻石色心的源是最有希望的候选者之一。众所周知的NV中心的特点是有几个限制，因此很少有其他缺陷最近被认为是。在目前的工作中，我们详细描述了本地有效的单色中心发射在近红外标准IIa单晶和电子级多晶商业CVD金刚石样品。在前一种情况下，在真空中的高温退火过程是必要的，以诱导具有良好的发射性能的发光中心的形成/激活，而在后一种情况下，退火过程对市售样品中的天然中心的数量和性能具有边际有益影响。尽管在几种光物理性质（发射波长、发射速率不稳定性、饱和行为）上显示出显著的可变性，但这些中心通常显示出作为单光子源的应用的吸引人的光物理性质：短寿命、高发射速率和强偏振光。本机中心暂时归因于杂质纳入高品质的IIa型样品的CVD生长过程中的金刚石晶体，并提供有前途的前景，在金刚石为基础的光子学。
2014-03-18 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
Numerical Investigation of Triexciton Stabilization in Diamond with Multiple Valleys and Bands
多激子的存在，即三维体系统中$N > 2$的激子的$N$ -体复合物，自其第一个理论建议以来已经有40多年的争议。采用随机变分方法和显关联高斯基对金刚石中激子基复合物的稳定性进行了数值研究。用有效质量哈密顿量描述电子-空穴多体系统。我们的模型包括有效质量各向异性和多个谷带自由度。我们证明了激子、三激子、双激子、带电双激子和三激子在金刚石中是稳定的。数值计算再现从81%到86%的实验报告的结合能中性束缚态。
2016-09-08 cond-mat.mtrl-sci
Photoelectrical detection of electron spin resonance of nitrogen-vacancy centres in diamond
金刚石中氮空位（NV）中心电子自旋的控制和读出协议为量子计算、计量和传感提供了先进的平台。这些方案基于从NV中心发射的光子的光学读出，该过程受到光子收集的产率的限制。在这里，我们报告了一种新的原则，通过直接监测自旋保持电子跃迁，通过测量NV中心相关的光电流检测NV中心的磁共振金刚石。所展示的直接检测技术为金刚石NV传感器和金刚石芯片上的金刚石量子器件的读出提供了灵敏的方式。磁共振光电流检测（PDMR）方案是基于通过NV-中心的双光子电离促进到金刚石的导带的载流子的检测。磁共振（ODMR）和PDMR的光学检测进行了比较，通过同时进行这两种测量。在共振微波频率下测得的光电流中检测到的最小值归因于NV-基态的自旋相关的占据概率，源自自旋选择性非辐射跃迁。
2015-02-26 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
CVD diamond single crystals with NV centres: a review of material synthesis and technology for quantum sensing applications
金刚石是各种色心的宿主，这些色心表现出出色的光学和自旋特性。其中，氮空位（NV）中心是迄今为止研究最多的，由于其优越的特性，这保证了高度复杂的量子器件，特别是传感应用的发展。然而，利用这些中心的潜力主要依赖于高质量和纯度的金刚石单晶的供应，需要为此目的专门设计和工程。等离子体辅助化学气相沉积（CVD）技术已成为该领域研究的关键技术。氮确实可以以受控的方式直接原位掺杂到高结晶质量的金刚石基质中，从而允许产生可以潜在地集成到器件中的单个隔离中心或集合体。本文综述了化学气相沉积法制备量子级金刚石薄膜的要求。这些包括减少杂质和限制相干时间的周围自旋，在宽范围的浓度下控制NV密度以及它们在金刚石内的空间定位。本文还讨论了增强色心的电荷状态和择优取向。材料制造的这些改进有助于将金刚石定位为最有前途的固态量子系统之一，而传感领域的第一批工业应用才刚刚开始出现。
2019-12-20 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
Behaviour of a muonic atom as an acceptor centre in diamond
利用极化负μ子研究了化学气相沉积（CVD）法合成金刚石中硼受主中心的行为。负μ介子取代碳原子中的一个电子，这个μ原子模仿金刚石中的硼受体杂质。在20 - 330 K的温度范围内，在14 kOe的横向磁场中测量了μ子自旋弛豫速率和自旋进动频率的温度依赖性。第一次在金刚石中观察到μ子自旋进动的负移。这是一个各向异性的超精细相互作用的硼受体初步归因于。磁性测试表明，CVD样品的磁化率接近于最纯净的天然金刚石。
2013-05-24 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.str-el
Spin properties of dense near-surface ensembles of nitrogen-vacancy centres in diamond
本文研究了氮离子注入金刚石近表面氮空位（NV）中心形成的致密层的自旋性质。光学检测的磁共振对比度和线宽，自旋相干时间，和自旋弛豫时间，测量作为注入能量，剂量，退火温度和表面处理的函数。为了跟踪存在的损伤和表面相关的自旋缺陷，我们进行原位电子自旋共振光谱通过双电子-电子共振和交叉弛豫光谱的NV中心。我们发现，对于能量（$4-30$ ~keV）和剂量（$5\times10^{11}-10^{13}$ ~ions/cm $^2$）的范围内考虑，NV的自旋性质主要是由剂量通过残留的重结晶诱导的顺磁缺陷，但由此产生的磁灵敏度基本上是独立的剂量和能量。然后，我们表明，磁灵敏度显着改善高温退火在$\geq1100^\circ$ C。此外，除了自旋弛豫时间，这是显着减少的自旋性质没有显着影响氧退火。最后，通过核磁共振测量确定平均NV深度，在4-6 keV注入能量下给出$\approx10$ ~ 17 nm。这项研究揭示了为高灵敏度传感和成像应用创造近表面NV中心密集层的最佳条件。
2018-02-04 cond-mat.mtrl-sci
Low temperature investigations of single silicon vacancy colour centres in diamond
我们研究了单一的硅空位（SiV）中心的化学气相沉积（CVD）纳米金刚石铱以及一个高品质的，低应力CVD金刚石薄膜中的SiV中心的系综，通过使用温度依赖发光光谱在温度范围5-295 K。我们详细研究了SiV中心的零声子线（ZPL）随温度变化的精细结构。从室温冷却到5 K时，ZPL转变受到非均匀和温度相关的均匀展宽的影响，并发生约20 cm-1的蓝移。我们采用激发功率相关的g（2）测量，探索温度依赖的内部人口动力学的单SiV中心，并推断几乎温度无关的动力学。
2013-03-04 cond-mat.mtrl-sci quant-ph
Can Europium Atoms form Luminescent Centres in Diamond: A combined Theoretical-Experimental Study
结合理论和实验研究了Eu掺入金刚石晶格的情况。大尺寸的Eu离子诱导的主晶格上的应变，这是最小的Eu-空位复合物。Eu的氧化态被计算为3+所考虑的所有缺陷模型。相反，缺陷复合物的总电荷为负的-1.5 ~-2.3电子.杂化功能电子能带结构表明Eu缺陷的发光强烈地依赖于缺陷的局部几何结构. 4-配位Eu取代掺杂剂是最有希望呈现典型Eu 3+发光的候选者，而6-配位Eu空位络合物预计不会呈现任何发光行为。用含Eu前驱体处理金刚石膜的初步实验结果表明，Eu可能掺入到滴铸处理的金刚石膜中。PL光谱的变化，在生长等离子体暴露后，主要发光峰从约614 nm移动到611 nm，并且在625 nm处出现肩峰，表明潜在的掺入。用负电性聚合物材料的滴注处理被示出为不需要在等离子体暴露之后观察Eu特征，并且增加了背景发光。
2019-04-23 cond-mat.mtrl-sci
Proximal nitrogen reduces the fluorescence quantum yield of nitrogen-vacancy centres in diamond
金刚石中的氮空位色心是最重要的固态量子体系之一。其应用领域包括高精度传感、量子计算、单光子通信、计量学、纳米级磁成像和生物传感。对于所有这些应用，所发射的光子的高量子产率是期望的。然而，被设计成具有高密度氮空位中心的金刚石样品显示出在单个批次内或甚至在同一样品内显著变化的亮度水平。在这里，我们表明，附近的氮杂质淬火氮空位中心通过非辐射跃迁发射，导致荧光量子产率降低。我们监测的氮空位中心合奏从合成金刚石样品与不同浓度的氮杂质的发射特性。虽然在1.81 ppm的低氮密度下，我们测得的寿命为13.9 ns，但我们观察到随着氮密度的增加，寿命大幅减少。我们测量的寿命低至4.4纳秒在氮密度为380 ppm。寿命的变化分别与相对荧光量子产率从77.4%降低至32%以及氮密度从88 ppm增加至380 ppm相匹配。这些结果将告知优化基于氮空位中心荧光的金刚石晶体器件的性能所需的条件。此外，这项工作提供了深入了解钻石和纳米钻石内的高密度氮空位合奏中观察到的不均匀性的起源。
2021-12-14 cond-mat.mtrl-sci quant-ph
Strong Coupling Between P1 Diamond Impurity Centres and 3D Lumped Photonic Microwave Cavity
我们报道了一个独特的双柱凹腔，在金刚石中的N杂质（P1）中心和微波光子的合奏之间的强耦合。腔被设计成使得腔场的磁分量在空间上与电分量分离并且聚焦到安装金刚石样品的小体积中。该结构的新颖性同时允许高磁填充因子（38.4\%）和在低磁场下与金刚石中的过渡（例如NV $^{-}$和P1中心中的过渡）相互作用所需的低频率。耦合强度（或正常模式分裂）为51.42 MHz，实现与P1中心在6.18 GHz和220 mT的厘米级腔，与相应的协同因子为4.7。这种技术提供了一种替代的方式，具有一些显着的优点，耦合3D腔的过渡金刚石和实现应用程序所需的强耦合量子信息处理。
2014-12-16 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci quant-ph
Decoration of growth sector boundaries with single nitrogen vacancy centres in as-grown single crystal HPHT synthetic diamond
通过高压高温（HPHT）合成可以生产大尺寸（> 100 mm $^3$）、相对纯净（II型）和低双折射的单晶金刚石。在这项研究中，我们研究了一个HPHT样品的良好的结晶完整性，含有小于1 ppb（十亿分之一碳原子）的硼杂质原子在{001}生长部门和氮杂质原子只有几十ppb。结果表明，{111}和{113}生长扇区之间的边界是由带负电荷的氮空位中心（NV $^-$）装饰：没有装饰观察到在任何其他类型的生长扇区界面。这种装饰可以用来计算相对{111}和{113}生长率。本体（001）扇区包含低于10 $^{11}$ cm $^{-3}$（10 $^{-3}$ ppb）的发光点缺陷浓度（用488和532 nm波长激发）。我们观察到带负电荷的硅空位（SiV $^-$）缺陷的体{111}扇区随着零声子线发射与镍缺陷在884 nm（1.40 eV）。对于NV $^-$或SiV $^-$缺陷均未观察到择优取向，但镍相关缺陷以其三角轴沿<111>扇形生长方向取向。由于NV $^-$缺陷预期在HPHT金刚石生长温度下容易重新取向，因此对于该缺陷预期没有优先取向，但是没有解释{111}扇区中SiV $^-$的优先取向的缺乏。
2020-02-18 cond-mat.mtrl-sci
Laser Activation of Single Group-IV Colour Centres in Diamond
针对量子网络用金刚石IV族色心的单缺陷精准定位激活难题，提出结合位点控制离子注入与原位光谱监测飞秒激光退火的两步法，实现单个SnV-中心的位点选择性创建修饰，可推广至其他宽禁带材料色心制备。
2024-09-11 cond-mat.mtrl-sci quant-ph
Optical interaction of the NV- centre in diamond with a plasmonic metal nanoparticle
我们提出了一个严格的理论模型，金刚石中的氮空位（NV）中心和等离子体金属纳米颗粒（MNP）之间的光学相互作用，伴随着一个计算效率高的程序来解决的演变。所提出的模型使我们能够成功地解释现有的光学发射测量的NV中心在存在和不存在的金属纳米粒子。我们表明，NV等离子体相互作用提供了一个多功能的新途径，以提高和控制的NV中心的光发射。可以利用MNP类型和尺寸、NV-MNP中心分离、浸没介质介电常数和NV相对于MNP表面的取向的改变来改进过多的基于NV中心的纳米器件。
2022-02-10 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci physics.optics
Nitrogen-vacancy centre formation via local femto-second laser annealing of diamond
本研究利用飞秒激光局部退火掺氮金刚石，结合光致发光与光探测磁共振表征脉冲能量、预存缺陷及停留时间的影响，发现激光可主要扩散而非产生空位，为定制NV中心提供新手段。
2025-07-24 cond-mat.mtrl-sci quant-ph
The stability of a crystal with diamond structure for patchy particles with tetrahedral symmetry
模型各向异性粒子的相图与四个有吸引力的补丁在四面体的安排已计算在两个不同的值的范围内的潜力，与调查的条件下，可以形成金刚石晶体的目的。我们发现，金刚石相是从来没有稳定的，为我们的长期潜力。在低温和低压下，流体冻结成体心立方固体，该体心立方固体可以被视为两个互穿的金刚石晶格，在两个子晶格之间具有弱相互作用。在压缩时，取向有序的面心立方晶体变得比体心立方晶体更稳定，并且在较高温度下，塑性面心立方相通过由于取向无序而增加的熵而稳定。一个类似的相图被发现为较短的范围内的潜力，但在低温和低压下，我们也发现了一个区域，在该区域的金刚石相的体心立方相的青睐。相对于体心立方固体，金刚石结构的较高振动熵解释了为什么即使后一相的焓较低，它也是稳定的。对从晶种开始的金刚石结构的生长进行了一些初步研究。尽管金刚石相在长程模型中永远不会稳定，但流体与体心立方晶体之间以及流体与金刚石晶体之间的界面的直接共存模拟表明，在足够低的压力下，在这两种情况下，固体都很可能生长成金刚石晶体，尽管存在一些缺陷。这些结果突出了动力学效应在片状颗粒系统中金刚石晶体形成中的重要性。
2010-05-28 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.soft
Magnetic-Field-Dependent Stimulated Emission from Nitrogen-Vacancy Centres in Diamond
金刚石中带负电荷的氮空位中心是很有希望的量子磁场传感器。激光阈值磁强计是通过增加信号强度和磁场对比度来提高NV中心系综灵敏度的理论方法。在这项工作中，我们实验证明激光阈值磁强计。我们使用了一个宏观的高精细激光腔，包含一个高度NV掺杂和低吸收的金刚石增益介质，在532 nm泵浦和共振种子在710 nm。这使得通过受激发射将信号功率放大64%。我们显示的放大的磁场依赖性，因此，证明磁场依赖的受激发射从NV中心合奏。该发射显示出33%的创纪录对比度和mW范围内的最大输出功率。NV中心的相干读出的这些优点为量子缺陷的新型腔和激光应用以及具有显著提高的灵敏度的金刚石NV磁场传感器铺平了道路，用于健康、研究和采矿部门。
2021-09-10 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci physics.optics
Spectroscopic Investigations of Negatively Charged Tin-Vacancy Centres in Diamond
最近在金刚石中发现的带负电荷的锡空位中心在量子信息处理（QIP）中具有很好的应用前景。我们在这里提出了一个详细的光谱研究，包括单光子发射和偏振特性，发射光谱的温度依赖性以及声子边带和Debye-Waller因子的详细分析。利用光致发光激发光谱（PLE），我们探测了一个能量较高的激发态，并证明了在低温下的单发射体的完全寿命有限的线宽。对于这些发射器，我们还调查了共振激发下的电荷态的稳定性。这些结果提供了一个详细的洞察光谱特性的$\text{SnV}^-$中心，并奠定了基础，为进一步研究其在QIP的适用性。
2020-02-11 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci quant-ph
Electron-phonon processes of the silicon-vacancy centre in diamond
研究了金刚石中带负电荷的硅空位（$\mathrm{SiV}^-$）中心的基态和激发态的声子诱导电子动力学。测量了4-350 K温度范围内的光学跃迁线宽、跃迁波长和激发态寿命。利用时间分辨荧光技术测量了它们的基态轨道弛豫速率。建立了$\mathrm{SiV}^-$中心激发态和基态热展宽的微观模型。一个涉及单声子跃迁的振动过程被发现，以确定在低温下的基态和激发态的轨道弛豫率。我们讨论了我们的研究结果在基态量子位态的相干性的影响，并提出了方法来延长相干时间的$\mathrm{SiV}^-$量子位。
2014-11-11 cond-mat.mtrl-sci physics.optics quant-ph
Characterization of oxygen defects in diamond by means of density functional theory calculations
金刚石中的点缺陷作为实现固态量子比特、生物成像剂或超灵敏的电场或磁场传感器的候选者受到高度关注。各种人造金刚石的合成方法都会在金刚石中引入氧污染，然而，氧进入金刚石晶体以及与氧相关的点缺陷的性质在很大程度上是未知的。氧作为量子比特的来源可能是潜在的令人感兴趣的，或者它可以与其他点缺陷相互作用，这些点缺陷是公认的固态量子比特。在这里，我们采用平面波超原胞计算的密度泛函理论，为了表征各种氧相关的缺陷的电子和磁光性质。除了微不足道的单个间隙和替代氧缺陷，我们还考虑了它们与空位和氢原子的复合物。我们发现，氧缺陷大多是电活性的，并引入高度相关的轨道，构成了密度泛函理论建模的挑战。然而，我们能够在电子顺磁共振谱中识别出替位氧缺陷、氧空位和氧空位氢复合物的指纹。我们证明，第一性原理计算可以预测的运动平均的电子顺磁共振谱的缺陷，受到Jahn-Teller失真。我们发现，高自旋中性氧空位缺陷从其光学激发态表现出非常快的非辐射衰减，这可能会阻碍它作为量子比特的应用。
2016-08-13 cond-mat.mtrl-sci
Charge transfer effects, thermo- and photochromism in single crystal CVD synthetic diamond
本文报道了热处理和紫外辐照对单晶CVD合成金刚石的点缺陷浓度和光吸收曲线的影响。所有的热处理都低于850 K，这低于生长温度，不太可能导致任何结构变化。紫外-可见吸收光谱测量表明，热处理（823 K）后，各种宽吸收功能减少：在270 nm的吸收带（用于推导中性单取代氮（NS 0）浓度），也有两个广泛的功能集中在约360和520 nm。点缺陷中心浓度作为温度的函数也推导出使用电子顺磁共振（EPR）光谱。在~500 K以上，我们观察到NS 0中心的浓度降低，同时带负电荷的氮-空位-氢复合物（NVH \bar）浓度增加。两个跃迁都表现出0.6和1.2 eV之间的活化能，这低于NS 0供体的活化能（~1.7 eV）。最后，发现用强烈的短波紫外光照射样品恢复了NS 0浓度，也恢复了270，360和520 nm的吸收特征。从这些结果中，我们假设一个价带介导的NVH和单氮中心之间的电荷转移过程与NVH的受体陷阱深度为0.6- 1.2 eV。由于NS 0浓度的损失大于NVH \bar浓度的增加，我们还建议存在另一种未知受体，其能量与NVH相似。CVD合成金刚石的颜色在多大程度上取决于先前的历史进行了讨论。
2009-09-07 cond-mat.mtrl-sci
How carbon vacancies can affect the properties of group IV color centers in diamond: A study of thermodynamics and kinetics
最近，人们对使用来自周期表的第IV族元素来制造和研究金刚石中的X $V$色心产生了很大兴趣，其中X = Si、Ge、Sn或Pb，并且$V$是碳空位。这些IV族色心具有许多有趣的自旋和光学性质，这可能使它们比N个$V^-$中心更好地用于量子计算和量子信息处理中的重要应用。不幸的是，在金刚石中产生这些X $V$色心所需的完全相同的离子注入工艺也必然产生许多碳空位（$V_{\rm C}$），其可以与这些色心（$V_{\rm C}-$ X $V$）形成复合物，这可以显著地影响孤立的X $V$色心的性质。这项工作的主要重点是使用密度泛函理论（DFT）来研究这些$V_{\rm C}-$ X $V$复合物的形成的热力学和动力学，并建议实验方法来阻止这一过程，如通过化学掺杂或施加外部电偏压改变费米能级的主机金刚石材料。我们还包括一个讨论如何简单的存在下，许多$V_{\rm C}$可以产生负面影响的自旋相干时间（$T_2$）的第四组颜色中心通过声学声子的存在。
2020-03-24 cond-mat.mtrl-sci
Singlet levels of the NV$^{-}$ centre in diamond
NV-中心在637 nm处的特征跃迁在${}^3\mathrm{A}_2$和${}^3\mathrm{E}$三重态之间。此外，还存在中间态${}^1\mathrm{A}_1$和${}^1\mathrm{E}$单重态，并利用单轴应力研究了这些单重态之间在1042 nm处的红外跃迁.应力位移和分裂参数的确定，并考虑物理相互作用引起的参数内接受的电子模型的中心。它是建立这种相互作用的红外跃迁是由于电子-电子库仑排斥相互作用的修改。这与可见的637 nm跃迁形成对比，在可见的637 nm跃迁中，位移和分裂是由对单电子库仑相互作用的修改引起的。还确定了动态Jahn-Teller相互作用与单线态${}^1\mathrm{E}$状态相关联，其产生高于${}^1\mathrm{E}$电子状态的电子振动能级115 $\mathrm{cm}^{-1}$。与该水平相关的参数用于提供实验确认，即${}^1\mathrm{A}_1$是上单重态水平，而${}^1\mathrm{E}$是下单重态水平。
2014-07-24 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
Electroluminescence from a diamond device with ion-beam-micromachined buried graphitic electrodes
聚焦兆电子伏离子微束是合适的工具，用于直接写入的导电石墨通道埋在绝缘金刚石块，如在以前的工作与制造的多电极电离辐射探测器和细胞生物传感器。在这项工作中，我们调查的适用性的制造方法的电激发的色心在金刚石。与光致发光不同的是，电致发光需要电流流过金刚石子带隙态以激发色心。为此目的，埋石墨电极的间距为10微米，制作在探测器级的CVD单晶金刚石样品的大部分使用扫描1.8 MeV的He微束。在施加250 V偏置电压时在电极之间的间隙区域中流动的电流被用作用于定位在上述间隙中的不同类型的色心的电致发光的激发泵。使用共聚焦光学显微镜装置在空间上映射明亮的光发射。电致发光的光谱分析揭示了来自中性电荷的氮空位中心（$NV^0$，$λ_{ZPL}$ = 575 nm）以及来自簇晶体位错（A带，λ = 400-500 nm）的发射。此外，检测到来自He相关缺陷的具有吸引人的光谱特征（室温下的尖锐发射，低声子边带）的电致发光信号（$λ_{ZPL}$ = 536.3 nm，$λ_{ZPL}$ = 560.5 nm）;还观察到λ = 740 nm附近的低而宽的峰，并暂时归因于Si-V或GR 1中心。这些结果提出了有趣的未来前景的电刺激单光子发射器在金刚石量子光学和量子密码学的应用。
2014-07-29 cond-mat.mtrl-sci quant-ph
Full stress tensor measurement using colour centres in diamond
应力和应变是决定材料的机械、电子和光学性质的重要因素，它们通过材料的弹性或刚度相互关联。两者都由二阶场张量表示，一般来说，有六个独立的分量。这些量的测量通常通过测量取决于晶格的平移对称性和周期性的性质来实现，例如使用拉曼光谱的光学声子能量，使用阴极发光的电子带隙，通过光学双折射的光弹性，或电子背散射衍射（EBSD）。因此，在测量的最大灵敏度和空间分辨率之间存在倒数关系。此外，在这些技术中，只有EBSD和离轴拉曼光谱允许测量应力张量的所有六个分量，但都不能提供完整的3D图。在这里，我们展示了一种方法，用于测量金刚石中的全应力张量，使用光谱和光学偏振特性的光致发光从个别氮空位（NV）色心。我们证明了10 MPa量级的灵敏度，受样品中局部应力波动的限制，对应的应变约为10^-5，与其他技术提供的最佳灵敏度相当。通过使用色心作为内置的局部传感器，该技术克服了空间分辨率和灵敏度之间的相互关系，并提供了在10 nm量级的空间分辨率下测量小至10^-9的应变的可能性。此外，它提供了一个简单的路线体积应力映射。除了在理解金刚石中的应变分布方面的价值外，这种新的应力和应变测量方法还可以适用于微米或纳米级传感器。
2011-10-17 cond-mat.mtrl-sci physics.optics
Extended T2 times of shallow implanted NV in chemically mechanically polished diamond
该研究证明化学机械抛光（CMP）工艺可在工业可扩展条件下将浅层注入NV色心的自旋寿命提升至13C限制水平，T2中位数达355微秒，优于ICP-RIE处理方法。
2024-05-17 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
NV- - N+ pair centre in 1b diamond
该研究确定，在1b金刚石中NV $^- $可实现的光致自旋极化的程度受限于单取代氮N $^0$的浓度。金刚石中各个NV中心的极化取决于NV $^-$和氮供体的分离。当NV $^-$ - N $^+$对间距大时，该对的性质将与单位点相同，并且可获得高度的自旋极化。当间距减小时，发射减少，寿命缩短，自旋极化降低。劣化是由于从NV $^-$到N $^+$的激发态中的电子隧穿而发生的，并且导致包括NV $^0$的光学循环。隧穿过程在光激发中是线性的，并且N $^+$越接近NV $^-$中心越普遍。然而，NV $^-$和其供体N $^+$之间的分离可以通过NV $^-$的激发和/或N $^0$的电离由光实现。产生自旋极化的光学激发也可以改变样品的性质，并且在激发期间产生电荷动力学。结果是自旋极化的大小、自旋弛豫和相干时间T $_1$和T $_2$依赖于氮浓度和激发波长。相邻的N $^+$提供了一个电场，使NV $^-$跃迁发生斯塔克位移，并且对于系综，导致谱线加宽。通过观察这些斯塔克诱导效应的变化，可以监测NV $^-$ - N $^+$分离的变化。光谱测量包括不同线宽的测量是这项研究的核心。它们是在低温下进行的，包括在637 nm处的NV $^-$光学跃迁、在1042 nm处的红外跃迁和在2.87 GHz处的ODMR的广泛测量。
2018-10-17 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
Isotopically varying spectral features of silicon vacancy in diamond
金刚石中的硅空位中心（SiV）具有有趣的振动特征。我们证明，零声子线的位置可以用来可靠地识别硅同位素存在于一个单一的中心。这对于量子信息应用是有意义的，因为只有硅29同位素具有核自旋。此外，我们证明，64毫电子伏线是由于本地振动模式的硅原子。一个本地模式的存在表明一个合理的起源的零声子线的同位素位移。
2014-07-26 cond-mat.mtrl-sci physics.optics 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
Stimulated emission from NV centres in diamond
受激发射是激光器工作的基本过程，从而产生相干光子输出。尽管自20世纪80年代以来，带负电荷的氮空位（NV $^-$）中心被讨论为潜在的激光介质，但迄今为止还没有明确的观察到NV $^-$系综的受激发射。缺乏证明的原因包括短的激发态寿命和零声子线周围的光对中性电荷态的光电离的发生。在这里，我们展示了从NV $^-$状态的声子边带中使用光的受激发射的理论和实验证据。我们的系统使用532 nm的连续波泵浦激光器和扫过NV $^-$的声子边带的脉冲激励激光器。最佳的受激发射表现在附近的三声子线在700 nm。当激发激光波长从700 nm减小到620 nm时，我们还发现了从受激发射到光电离的转变。虽然在零声子线的激光被电离抑制，我们的研究结果打开了基于NV中心的金刚石激光器的可能性，可调谐的声子边带。这将NV磁力计的应用从单中心纳米级传感器扩展到新一代超精密集成激光传感器，该传感器利用了激光系统的对比度和信号放大。
2016-02-24 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci physics.atom-ph
The Resolution of the Diamond Problem After 200 Years: Phonon, Roton and Magnon Induced Spin-Orbital Dynamics, Subshell Rehybridization and Shell Rotation for the Little Effect
金刚石的物理化学合成问题跨越了200多年，涉及许多科学巨人。许多技术已经被发现、实现并用于解决这一钻石问题。本文介绍了钻石问题的起源、定义和原因。金刚石问题的解决方案，然后讨论的基础上的小效应，涉及新的旋转声子驱动（反对称）多自旋诱导的轨道取向，子壳层再杂化和价壳层的自由基复合物在量子流体磁化下在整个热，压力，成分，和旋量梯度在空间和时间。一些实验证据，这种磁量子分辨率进行了简要回顾，并结合这一最近富有成效的发现。此外，被认为是在比较伍德沃德-霍夫曼规则的小效果的影响。阐明了小效应与先验根对效应的区别。相对于石墨晶格，金刚石晶格具有更好的自由基、悬挂键和磁性相容性。最后，将小效应的这些新物理化学现象与天然金刚石成因进行了比较。
2006-07-30 cond-mat.mtrl-sci
Electron configuration of the substitutional nitrogen defect in diamond
有人认为，金刚石中的取代氮与周围的三个碳原子键合，而不是四个。这个缺陷的电子配置是从以前的实验和理论考虑推导出来的。值得注意的是，1344 cm-1谱带是取代氮的特征，与氮的同位素变化无关，但取决于碳的同位素变化。如果氮与周围的四个碳结合，那么已经建立的NV中心应该是不稳定的。另外，单取代氮原子的尺寸明显增大，表明氮原子中存在对电子，并利用简单的力常数模型对所提出的取代氮原子构型进行了验证.用2/3 C-C：1/3 C=C代替C-N的力常数，得到1344 cm-1谱带。
2014-04-09 cond-mat.mtrl-sci
Sensing electric fields using single diamond spins
在环境条件下灵敏地检测电荷的能力将是一个令人着迷的新工具，使跨学科的广泛研究人员受益。然而，目前大多数技术仅限于低温方法，如单电子晶体管（SET），单电子静电力显微镜和扫描隧道显微镜。在这里，我们开辟了一个新的量子精密测量技术证明精确的电场测量使用一个单一的氮空位缺陷中心（NV）的钻石自旋。交流电场灵敏度达到~ 140 V/cm/ \surd Hz。这对应于由位于距我们的自旋传感器约150 nm的距离处的单个元电荷产生的电场，平均一秒。通过对缺陷中心的电子结构的仔细分析，我们展示了外加磁场如何影响电场传感特性。通过这一点，我们表明，金刚石缺陷中心自旋可以在电场和磁场感测模式之间切换，并确定两种检测器方案的合适参数范围。通过结合磁场和电场灵敏度，纳米级检测和环境操作，我们的研究开辟了从材料科学到生物成像的成像和传感应用的新前沿。
2011-03-17 cond-mat.mtrl-sci physics.atom-ph quant-ph
Coherence of a charge stabilised tin-vacancy spin in diamond
利用固态自旋量子位的量子信息处理（QIP）强烈地依赖于量子位的期望电荷状态的有效初始化。虽然金刚石中带负电荷的锡空位（$\text{SnV}^{-}$）中心由于在液氦温度下的长自旋相干时间和寿命有限的光学跃迁而成为用于实现QIP协议的极好平台，但其有用性受到共振激发下荧光终止的严重限制[1，2，3]。在这里，我们揭示了潜在的第IV族-空位（G4 V）中心的电荷循环，并利用它来展示所需的负电荷状态的单个SnV中心的高效初始化，同时保持长期稳定的光学共振。此外，我们还利用相干布居俘获全光探测了基态自旋的相干性，发现自旋退相时间为5 $μ$ s。此外，我们证明了原理证明Single Shot自旋状态读出，而不需要与缺陷的对称轴对齐的磁场。
2022-05-27 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci physics.atom-ph
Impact of surface functionalisation on the quantum coherence of nitrogen vacancy centres in nanodiamond
纳米级量子探针，如金刚石中的氮空位中心，在过去十年中已经表现出显着的传感能力，因为对这些系统的制造和操作的控制已经发展。然而，随着这些纳米级量子探针的尺寸减小，主体材料的表面终止开始作为磁场和电场噪声的来源发挥突出作用。在这项工作中，我们表明，硼烷减少纳米金刚石表面可以平均增加一倍的自旋弛豫时间的纳米金刚石中的单个氮空位中心相比，热氧化的表面。使用红外和X-射线吸收光谱技术的组合，我们相关的量子弛豫速率的变化与sp2碳的金刚石表面上的C-O和C-H键的转换。这些发现暗示双键碳物种作为近表面NV中心的自旋噪声的主要来源，并表明通过定制的表面工程，我们可以提高这些纳米级探针的量子特性和磁灵敏度。
2018-04-23 cond-mat.mtrl-sci physics.chem-ph
Enhanced widefield quantum sensing with nitrogen-vacancy ensembles using diamond nanopillar arrays
基于金刚石中的光学活性缺陷（如氮空位（NV）中心）的量子传感器代表了用于磁、电、温度和应变场的纳米级传感和成像的有前途的平台。增强对这些缺陷的光学接口是提高这些系统的测量灵敏度的关键。光子纳米结构通常用于单发射区，但它们对具有NV系综的宽场传感的适用性在很大程度上仍未被探索。在这里，我们制造和表征紧密堆积的金刚石纳米柱阵列，每个托管自己的密集，近表面合奏的NV中心。我们探索最佳几何形状的金刚石纳米柱托管NV合奏，并实现增强的自旋和光致发光特性，导致增加测量灵敏度（大于3倍）相比，未图案化的表面。利用增加的测量灵敏度，我们对阵列中每个纳米柱中的机械应力张量进行成像，并显示与未图案化的表面相比，制造过程对内置应力的影响可以忽略不计。我们的研究结果表明，金刚石表面的光子纳米结构是一种可行的策略，用于提高基于集成的宽场传感和成像的灵敏度。
2019-02-07 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci physics.optics
First-principles Studies of Strongly Correlated States in Defect Spin Qubits in Diamond
利用最近发展起来的量子嵌入理论，我们对金刚石中自旋缺陷的强关联态进行了第一性原理计算。在这个理论中，有效的哈密顿量被构造出来，可以用经典计算机和量子计算机来求解;后者比前者保证了一个更有利的尺度作为系统大小的函数。特别地，我们报道了金刚石中的中性IV族空位复合物的研究，并讨论了它们的强关联自旋单重态和自旋三重态激发态。我们的研究结果提供了有价值的预测实验，旨在光学操纵这些缺陷的量子信息技术的应用。
2020-09-21 cond-mat.mtrl-sci physics.chem-ph quant-ph
Density functional theory study of substitutional oxygen in diamond
近年来，对金刚石中氧的存在进行了一些研究，如从理论上和实验上将N3 EPR中心归属于由取代氮和取代氧作为近邻的络合物组成的模型。从稳定性、电子结构、几何构型和超精细相互作用等方面对金刚石中的氧进行了从头算计算，结果表明，含C的氧$_{2v}\,$，$S=1$是基态构型.我们发现，氧产生施主或受主能级取决于费米能级的位置。
2016-09-15 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.str-el
Interaction between shallow NV$^-$ and spin active azafullerenes on hydrogenated and fluorinated (001) diamond surfaces
Nantes Université, CNRS, Institut des Matériaux de Nantes Jean Rouxel（南特大学，法国国家科学研究中心，南特材料研究所让·鲁克塞尔）；Jožef Stefan Institute（约瑟夫斯蒂芬研究所）；Faculty of mathematics and physics, University of Ljubljana（卢布尔雅那大学数学与物理学院）
研究揭示了氢化与氟化金刚石表面中浅层NV⁻与含氮富勒烯的相互作用差异，表明氟化能稳定自由自旋并抑制电荷转移。
2025-12-26 cond-mat.mtrl-sci
IR-stimulated visible fluorescence in pink and brown diamond
用中紫外光（光子能量> 4.1eV）照射天然粉红和棕色金刚石，在N3缺陷中心（结构N3-V）处产生异常荧光现象。当以这种方式涂底漆的钻石随后暴露于红外线时（即使延迟许多小时），观察到蓝色N3荧光的瞬时爆发。这种红外触发的荧光对泵浦波长和强度的依赖性表明，这种荧光现象是内在相关的粉红色钻石光致变色。N3缺陷和其他缺陷物种之间的能量转移过程可以解释UV诱导的荧光强度变化和IR光的表观光学上转换。从这个角度来看，我们认为这N3荧光行为的影响，目前的理解粉红色钻石光致变色动力学。
2013-12-19 cond-mat.mtrl-sci physics.optics
Effects of low energy electron irradiation on formation of nitrogen-vacancy centers in single-crystal diamond
在扫描电子显微镜中暴露于低能电子束（2至30 keV）局部诱导NV中心的形成，而无需在已注入氮离子的金刚石中进行热退火。我们发现，非热，电子束诱导的NV-形成的效率比热退火低约四倍。但是与单独的热退火相比，在暴露于低能电子之后的连续热退火步骤（800 C）中的NV中心形成增加了高达1.8倍。这些观察点重建的氮空位复合物诱导的电子激发从低能量电子作为NV-中心形成机制，并确定本地电子激发作为空间控制的室温NV-中心形成的手段。
2012-04-13 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
Optical Detection of Paramagnetic Defects in a CVD-grown Diamond
化学气相沉积（CVD）生长的金刚石中的氮空位中心（NV中心）的电子自旋形成磁场和温度的理想探针，以及用于量子信息处理的有前途的量子位。因此，研究和控制这种高纯度晶体中NV中心的磁环境对于这些应用是必不可少的。我们演示了光学检测的顺磁性物质，如氢相关的复合物，在CVD生长的金刚石。通过采用沿[100]晶向的磁场扫描，NV中心的极化电子自旋到这些物质的电子自旋的共振转移在NV光致发光中产生显著的特征。我们的研究结果提供了更详细的CVD生长过程的研究，以及为相干控制的超极化顺磁性物种的新型类的自旋的前景。
2020-12-10 cond-mat.mtrl-sci quant-ph
Diamond quantum thermometry: From foundations to applications
金刚石量子测温法利用了金刚石中颜色缺陷中心的光学和电学自旋特性，并作为一种量子传感方法，表现出高精度和鲁棒性。与现有的发光纳米测温技术相比，金刚石量子温度计可以在很宽的温度范围内工作，传感器空间尺度从纳米到微米不等。此外，金刚石量子温度测量在包括电子学和生物学在内的几个应用中被采用，以利用纳米级温度测量来探索这些领域。本综述涵盖了基于自旋和全光学方法的金刚石量子测温的工作原理，金刚石材料的开发重点是测温，以及基于需求的技术要求在电气和生物系统中的应用实例。
2021-03-31 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci physics.bio-ph
From Mono- to Hexa-Interstitials: Computational Insights into Carbon Defects in Diamond
HUN-REN Wigner Research Centre for Physics（匈牙利科学院维格纳物理研究中心）；Department of Atomic Physics, Institute of Physics, Budapest University of Technology and Economics（布达佩斯技术与经济大学物理研究所原子物理系）；European Laboratory for Learning and Intelligent Systems (ELLIS) Institute Finland（欧洲学习与智能系统实验室芬兰研究所）；Department of Technical Physics, University of Eastern Finland（东芬兰大学技术物理系）；MTA-WFK Lendület “Momentum” Semiconductor Nanostructures Research Group（匈牙利科学院-维格纳物理研究所Lendulet“动量”半导体纳米结构研究组）
研究通过第一性原理计算分析钻石中碳自空位缺陷的结构与性质，揭示空位聚集的驱动力及电子特性，为实验识别提供框架。
2026-03-12 cond-mat.mtrl-sci quant-ph
200 keV energy electron irradiation of single crystal diamond: Quantification of vacancy and nitrogen-vacancy production
本文定量研究了200 keV电子辐照单晶金刚石产生的空位深度分布，发现NV中心产生并非氮限制，空位过剩时NV会转化为NV2缺陷。
2025-09-08 cond-mat.mtrl-sci quant-ph
Enhanced dual-beam excitation photoelectric detection of NV magnetic resonances in diamond
实现金刚石NV中心量子比特技术的核心问题是NV自旋态的灵敏读出。我们最近展示了NV磁共振（PDMR）的光电检测，预计比光学检测（ODMR）更快，更灵敏。在这里，我们报告的PDMR对比度为9%-三倍增强相比，以前的工作-浅N注入金刚石。基于从头算模型，我们提出了一种新的单光子电离双束PDMR方案。我们预测，该方案是显着不太容易受到影响的缺陷，如取代氮。
2016-07-04 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci quant-ph
Engineering NV Centers via Hydrogen-Driven Defect Chemistry in CVD Diamonds for Quantum Applications: NVHx Dissociations into NV, Origin of 468nm Center, and Cause of Brown Coloration
本文通过杂化DFT计算和光谱分析揭示了CVD金刚石中氢在NV色心形成中的关键作用，鉴定468nm中心为NVH-缺陷，并证明NVHx复合物在辐照退火后解离为NV色心，为优化量子应用金刚石合成提供了统一缺陷化学图景。
2025-06-30 cond-mat.mtrl-sci physics.chem-ph physics.comp-ph
Spin-orbit coupling and Jahn-Teller effect in $T_d$ symmetry: an \textit{ab initio} study on the substitutional nickel defect in diamond
本文通过杂化密度泛函理论分析$T_d$对称性下自旋-轨道与Jahn-Teller效应，应用于金刚石替位镍缺陷，计算精细结构与磁光参数，证实2.56和2.51 eV光学中心归属，并揭示光学跃迁及ODMR机制。
2023-09-04 cond-mat.mtrl-sci quant-ph
