为了模拟 NV 自旋对 MW 场(特别是磁场分量)的响应,使用量子主方程方法推导出理论方程。在室温下,NV 自旋包含 NV − 的基态和激发自旋三重态、NV − 的两个中间态以及两个 NV 0 态。由于 1 A 1 的自旋寿命远小于 1 E 的寿命(参见正文),因此单重态实际上被假定为一个状态(1 E)。NV 0 态的包含解释了导致电荷状态切换的电离效应。在 NV 0 态下,它可以被光泵送回 NV − 的基态三重态。图 S.I.1 显示了由九个能级组成的 NV 能量图。如果忽略电离效应,在简并三重态的情况下,可以使用具有更少能级的更简单的模型。建模 ODMR 的基本状态是 NV − 的基态、中间态和激发态。但是,由于 NV 0 和 NV − 之间的跃迁速率
摘要 新兴量子技术需要对日益复杂的量子系统进行精确控制。金刚石中的缺陷,特别是带负电的氮空位 (NV) 中心,是一个有前途的平台,有潜力实现从超灵敏纳米级量子传感器到长距离量子网络的量子中继器、多体量子系统中复杂动态过程的模拟器到可扩展的量子计算机等技术。虽然这些进步在很大程度上归功于金刚石独特的材料特性,但这种材料的独特性也带来了困难,而且人们越来越需要用于表征、生长、缺陷控制和制造的新型材料科学技术,以实现金刚石的量子应用。在这篇评论中
块体金刚石的一个重要且特别有趣的应用领域是量子技术。超纯单晶 CVD 和 HPHT 金刚石晶体为承载带负电的氮空位 (NV − ) 中心提供了近乎理想的环境 [7],这是一种光致发光缺陷,可以作为量子比特运行,具有几乎无限的光稳定性。与 NV − 中心相关的电子自旋相关光致发光使其能够进行光学读出和初始化为已知状态。与 NV − 中心相关的物理学的发展推动了量子技术的进步,并促成了开创性的实验,例如量子计算 [8] 和量子通信的演示、[9] 在纳米尺寸体积中记录 NMR 光谱、[10] 活细胞中磁场的光学检测、[11] 和磁共振的光电片上检测。[12]
本期特刊旨在促进钻石科学家和工程师之间的科学知识交流,包括多晶和单晶。因此,我们诚挚地邀请科学家和工程师发表他们关于钻石成核和生长动力学、其物理和化学性质以及它们在各个科学技术领域(工业、医学、考古学等)的实用性的最新科学、理论和实验结果。最近对单晶和多晶金刚石材料的合成和利用的研究扩大了它们在现有和未来广泛应用领域的潜在用途,包括光学和电子学,以及生物医学等。我们还相信,这些材料是当今和不久的将来在固态物理、化学和工程领域具有巨大潜力的重要材料。我们邀请您为本期晶体特刊“多晶/单晶金刚石”撰稿,以便向讨论金刚石科学、技术和应用的多学科论坛提交论文。
碳 (sp3)-碳 (sp2) 材料有可能彻底改变储能和微电子等领域。然而,在柔性基底上合理设计和印刷碳-碳材料仍然是可穿戴电子技术中的挑战。这项研究展示了用于微型超级电容器的柔性激光诱导石墨烯 (LIG)-硼掺杂金刚石纳米壁 (BDNW) 混合纳米结构的可扩展制造。聚酰亚胺薄膜上的直接激光写入通过 BDNW 粉末的存在进行调节,其中 BDNW 在 CO2 激光波长下的明显吸光度会提高局部薄膜温度。激光照射引起的热冲击在金刚石晶粒边界处产生石墨化和无定形碳,从而增加了 LIG-金刚石界面之间的热和电荷传输能力。样品进一步用 O2 等离子体处理以调节润湿性或改善微型超级电容器装置性能。石墨烯的出色电特性、金刚石的卓越电化学稳定性以及含氧基团的必要贡献,使其具有显著的电荷存储容量(18 mF cm − 2 @ 10 mV s − 1 )和循环稳定性(10 000 次循环后保持 98%),优于大多数最先进的基于 LIG 的超级电容器。此外,尽管机械应力极大,这些微型超级电容器仍保持其出色的电化学性能,因此有望成为高功率、柔性/可穿戴电子产品。
在物理和生命科学中具有广泛应用的固态量子传感器 ( 金刚石色心 -NV 氮原子空穴色心 ) ; 探索标准模型之外物理的量子传感器 ( 磁力仪和原子钟,囚禁的极性分子,自旋压缩,控制自旋退相 干,纠缠 ) ; 量子信息处理成为现实 ( 囚禁离子,约瑟夫森结 ) ; 增强型量子传感器的先进材料 ( 光晶格,固态量子缺陷,混合量子系统,拓扑材料 ) ; 用于暗区物理的量子传感器 ( 高 Q 值的射频或微波腔,基于超导干涉效应的高 Q 接收器 ) ; 基于原子干涉测量和光学原子钟的精密时空传感器 ( 量子纠缠 ( “压缩” ) 和量子控制 ( “动态解耦” )) 。
金刚石和最近的碳化硅中的自旋 S = 1 中心已被确定为可用于各种量子技术的有趣固态量子比特。金刚石中氮空位中心 (NV) 是研究较多的案例,被认为是适用于大多数应用的量子比特,但也存在重大缺点。最近的研究表明,SiC 中的双空位 (V Si VC ) ° 和 NV (V Si NC ) 中心可以克服许多缺点,例如与微电子技术、纳米结构以及 n 型和 p 型掺杂的兼容性。特别是,4H-SiC 多型体是一种广泛用于功率器件的微电子半导体,这些问题已经得到解决,并且大规模基板 (300mmm) 可供商业化使用。研究较少的 3C 多型体可以拥有相同的中心 (VV、NV),并且具有额外的优势,因为它可以在 Si 上外延,从而允许与 Si 技术集成。执行光学操控和自旋状态检测的光谱范围从金刚石中 NV 中心的可见光 632 nm 移至 SiC 中双空位和 NV 中心的近红外 1200 – 1300 nm(电信波长)。然而,还有其他关键参数对于可靠的信息处理至关重要,例如自旋相干时间、芯片上的确定性位置和受控缺陷浓度。在这篇评论中,我们重新审视并比较了金刚石中 NV 中心以及 4H 和 3C-SiC 中双空位和 NV 中心的一些基本特性。
基于碳材料的光学传感器 - QU antum BE lgium 开发用于太空应用的量子金刚石磁力仪
采用随机策略结合群论、图论和高通量计算,系统地扫描了共87种新的单斜硅同素异形体。新的同素异形体中,13种具有直接或准直接带隙,12种具有金属特性,其余为间接带隙半导体。这些新型单斜硅同素异形体中有30多种表现出大于或等于80 GPa的体积模量,其中3种表现出比金刚石硅更大的体积模量。只有两种新的硅同素异形体表现出比金刚石硅更大的剪切模量。详细研究了所有87种Si单斜同素异形体的晶体结构、稳定性(弹性常数、声子谱)、力学性能、电子性能、有效载流子质量和光学性能。五种新的同素异形体的电子有效质量ml小于金刚石硅的电子有效质量。所有这些新型单斜硅同素异形体在可见光谱区都表现出强吸收。结合它们的电子带隙结构,这使它们成为光伏应用的有前途的材料。这些研究极大地丰富了目前对硅同素异形体的结构和电子特性的认识。