鑽石中電荷穩定鎳空位中心之壽命限制與可調諧發射

Q: NiV− 缺陷的相干特性如何與其他基於鑽石的量子位元（如 NV− 中心）相比較？

NiV− 缺陷和 NV− 中心都是鑽石中很有潛力的量子位元，但它們的相干特性有所不同，這些差異主要源於它們的自旋特性和對稱性： 自旋態: NV− 中心基態是自旋三重態 (S=1)，而 NiV− 中心基態是自旋雙重態 (S=1/2)。自旋三重態更容易受到磁場雜訊的影響，導致退相干。 對稱性: NiV− 中心具有反演對稱性，而 NV− 中心沒有。這種對稱性差異導致 NiV− 中心對電場雜訊不敏感，因此預計具有更長的相干時間。 基態分裂: NiV− 中心具有較大的基態自旋軌道耦合分裂 (約 670 GHz)，遠大於 NV− 中心的零場分裂 (約 2.87 GHz)。較大的基態分裂可以抑制聲子誘導的退相干，從而延長相干時間。 總體而言，由於較大的基態分裂和反演對稱性，預計 NiV− 中心在低溫下將比 NV− 中心具有更長的相干時間。然而，NiV− 中心的研究仍處於早期階段，其相干時間尚未在實驗中完全證實。

Q: NiV− 缺陷的電荷穩定性是否會受到溫度或其他環境因素的影響？

是的，NiV− 缺陷的電荷穩定性會受到溫度和其他環境因素的影響： 溫度: 研究表明，在共振激發下，NiV− 傾向於轉變為 NiV2− 狀態，導致發光淬滅。 較高的溫度會加速這個電荷轉換過程，降低 NiV− 的穩定性。 電場: 施加外部電場可以調控 NiV− 的電荷狀態。通過構建 p-i-p 結構，可以利用電偏壓將費米能級調整到有利於 NiV− 電荷狀態的區域，從而提高其穩定性。 光激發: NiV− 的電荷狀態對光激發波長敏感。短波長的光可以將 NiV2− 轉換為 NiV−，而長波長的光則可能導致 NiV− 轉變為 NiV0。 因此，要維持 NiV− 缺陷的電荷穩定性，需要精確控制溫度、電場和光激發條件。

Q: NiV− 缺陷在量子信息處理以外的領域是否有潛在的應用？

除了量子信息處理，NiV− 缺陷在其他領域也展現出潛在的應用價值： 量子感測: NiV− 缺陷對電場和磁場敏感，可用於開發高靈敏度的量子感測器，例如電場計、磁力計，以及用於生物學和醫學成像的奈米級探針。 單光子源: NiV− 缺陷可以發射壽命受限的單光子，可用於構建量子密鑰分發和量子計算等應用所需的單光子源。 量子光學: NiV− 缺陷可以與光學微腔耦合，用於研究腔量子電動力學效應，並開發新型量子光學器件。 總之，NiV− 缺陷作為一種新興的色心，在量子信息處理、量子感測、單光子源和量子光學等領域都具有廣闊的應用前景。隨著對其特性和控制方法的深入研究，預計 NiV− 缺陷將在未來發揮更重要的作用。

Основні поняття

帶負電的鎳空位中心 (NiV−) 是一種很有前途的自旋量子位元候選材料，它在近紅外區域發射，並具有預測的反演對稱性和大的基態自旋軌道分裂，可以限制聲子引起的去相干。本研究通過磁光光譜實驗證實了 NiV 缺陷的幾何和電子結構，並發現其德拜-沃勒因子為 0.62。此外，研究人員利用全鑽石 p-i-p 結中的電偏壓設計了電荷穩定缺陷，並測量到消失的靜態偶極矩和無光譜擴散，這是反演對稱性的特徵。在偏壓下，觀察到穩定的躍遷，其線寬受壽命限制，窄至 16 MHz，並且可以通過二階斯塔克效應方便地調節發射頻率。總體而言，這項工作為 NiV−的相干控制及其作為自旋量子位元的應用提供了一條途徑，並有助於更全面地理解鑽石中缺陷所經歷的電荷動力學。

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本研究探討了鑽石中帶負電的鎳空位中心 (NiV−) 作為自旋量子位元的潛力。NiV− 缺陷預測具有反演對稱性、大的基態自旋軌道分裂和近紅外發射，這些特性使其成為量子信息處理的理想候選材料。
研究結果

磁光光譜： 研究人員使用磁光光譜實驗證實了 NiV− 缺陷的預測幾何和電子結構。
德拜-沃勒因子： 測量到 NiV− 的德拜-沃勒因子為 0.62，表明其具有良好的光學特性。
電荷穩定性： 通過在全鑽石 p-i-p 結中施加電偏壓，成功地穩定了 NiV− 的電荷態。
反演對稱性： 測量到消失的靜態偶極矩和無光譜擴散，證實了 NiV− 缺陷的反演對稱性。
可調諧發射： 在偏壓下，觀察到穩定的躍遷，其線寬受壽命限制，窄至 16 MHz。此外，通過二階斯塔克效應可以方便地調節發射頻率。
結論
這項研究為 NiV− 自旋量子位元的相干控制及其應用奠定了基礎。NiV− 缺陷的獨特性質，例如其反演對稱性、大的基態自旋軌道分裂和近紅外發射，使其成為量子信息處理中 NV−、SiV− 和 SnV− 等現有缺陷中心的有力競爭者。
研究意義
這項研究的結果對量子信息處理領域具有重要意義。NiV− 缺陷的電荷穩定性和可調諧發射特性使其成為開發基於鑽石的量子技術（如量子計算、量子網絡和量子傳感）的理想平台。

Статистика

NiV− 的德拜-沃勒因子為 0.62。
在偏壓下觀察到穩定的躍遷，其線寬受壽命限制，窄至 16 MHz。
NiV− 缺陷的壽命測量為 τ = 10.43 ± 1.6 ns。
估計非均勻分佈的寬度約為 50 GHz。

Ключові висновки, отримані з

Lifetime-Limited and Tunable Emission from Charge-Stabilized Nickel Vacancy Centers in Diamond

by I. M... о arxiv.org 11-12-2024

https://arxiv.org/pdf/2411.07196.pdf

Lifetime-Limited and Tunable Emission from Charge-Stabilized Nickel Vacancy Centers in Diamond

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NiV− 缺陷的相干特性如何與其他基於鑽石的量子位元（如 NV− 中心）相比較？

NiV− 缺陷和 NV− 中心都是鑽石中很有潛力的量子位元，但它們的相干特性有所不同，這些差異主要源於它們的自旋特性和對稱性：

自旋態: NV− 中心基態是自旋三重態 (S=1)，而 NiV− 中心基態是自旋雙重態 (S=1/2)。自旋三重態更容易受到磁場雜訊的影響，導致退相干。
對稱性:  NiV− 中心具有反演對稱性，而 NV− 中心沒有。這種對稱性差異導致 NiV− 中心對電場雜訊不敏感，因此預計具有更長的相干時間。
基態分裂: NiV− 中心具有較大的基態自旋軌道耦合分裂 (約 670 GHz)，遠大於 NV− 中心的零場分裂 (約 2.87 GHz)。較大的基態分裂可以抑制聲子誘導的退相干，從而延長相干時間。
總體而言，由於較大的基態分裂和反演對稱性，預計 NiV− 中心在低溫下將比 NV− 中心具有更長的相干時間。然而，NiV− 中心的研究仍處於早期階段，其相干時間尚未在實驗中完全證實。

NiV− 缺陷的電荷穩定性是否會受到溫度或其他環境因素的影響？

是的，NiV− 缺陷的電荷穩定性會受到溫度和其他環境因素的影響：

溫度:  研究表明，在共振激發下，NiV− 傾向於轉變為 NiV2− 狀態，導致發光淬滅。 較高的溫度會加速這個電荷轉換過程，降低 NiV− 的穩定性。
電場:  施加外部電場可以調控 NiV− 的電荷狀態。通過構建 p-i-p 結構，可以利用電偏壓將費米能級調整到有利於 NiV− 電荷狀態的區域，從而提高其穩定性。
光激發:  NiV− 的電荷狀態對光激發波長敏感。短波長的光可以將 NiV2− 轉換為 NiV−，而長波長的光則可能導致 NiV− 轉變為 NiV0。
因此，要維持 NiV− 缺陷的電荷穩定性，需要精確控制溫度、電場和光激發條件。

NiV− 缺陷在量子信息處理以外的領域是否有潛在的應用？

除了量子信息處理，NiV− 缺陷在其他領域也展現出潛在的應用價值：

量子感測: NiV− 缺陷對電場和磁場敏感，可用於開發高靈敏度的量子感測器，例如電場計、磁力計，以及用於生物學和醫學成像的奈米級探針。
單光子源: NiV− 缺陷可以發射壽命受限的單光子，可用於構建量子密鑰分發和量子計算等應用所需的單光子源。
量子光學: NiV− 缺陷可以與光學微腔耦合，用於研究腔量子電動力學效應，並開發新型量子光學器件。
總之，NiV− 缺陷作為一種新興的色心，在量子信息處理、量子感測、單光子源和量子光學等領域都具有廣闊的應用前景。隨著對其特性和控制方法的深入研究，預計 NiV− 缺陷將在未來發揮更重要的作用。