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Acta Physica Sinica

Controllable millimeter-wave stimulated radiations from nitrogen-vacancy-centers in diamond

Chen WANG, Suirong HE, Yufen LI, Feng Xianing, Wei Lianfu

Published Jan 1, 2026• 0 citations
Publisher

Abstract

高品质毫米波光源的匮乏是制约毫米波相干技术发展的重要瓶颈之一, 而在室温条件下实现高效、稳定的毫米波受激辐射, 已成为该技术领域亟待攻克的关键挑战. 针对这一难题, 本文提出一种基于强磁场调控氮空位(NV)色心基态零场分裂的室温毫米波受激辐射实现方案. 具体而言, 选取轴向强人造磁场(约2 T)作用下基态三重态能级发生塞曼分裂的NV色心作为毫米波激射的自旋介质——其优异的长自旋相干时间特性与可实现的光学初始化能力, 使得通过532 nm激光泵浦即可达成塞曼能级的布居数反转. 借助高品质因子(Q \approx 5\times 10^4)谐振腔构建的自旋-光子集体耦合模型, 本研究证实该方案的泵浦阈值可低至约270 s–1; 在理想条件下, 可输出功率达微瓦级的毫米波相干辐射, 从而有望在室温条件下, 为6G无线通信、深空探测等领域提供高品质毫米波相干光源.

DOI
10.7498/aps.75.20260303

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Controllable millimeter-wave stimulated radiations from NV-centres in diamond

Wang Chen, He Suirong, Li Yufen +2 more

高品质毫米波光源的匮乏是制约毫米波相干技术发展的重要瓶颈之一，而在室温条件下实现高效、稳定的毫米波受激辐射，已成为该技术领域亟待攻克的关键挑战。针对这一难题，本文提出一种基于强磁场调控氮空位（NV）色心基态零场分裂的室温毫米波受激辐射实现方案。具体而言，我们选取轴向强人造磁场（约2 T）作用下基态三重态能级发生塞曼分裂的NV色心作为毫米波激射的自旋介质——其优异的长自旋相干时间特性与可实现的光学初始化能力，使得通过532 nm激光泵浦即可达成塞曼能级的布居数反转。借助高品质因子（Q ≈ 5×104）谐振腔构建的自旋-光子集体耦合模型，本研究证实该方案的泵浦阈值可低至约270 s−1；在理想条件下，可输出功率达微瓦级的毫米波相干辐射，从而有望在室温条件下，为6G无线通信、深空探测等领域提供高品质毫米波相干光源。

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Coherent electrical control of a single electron spin in diamond nitrogen-vacancy centers

Wu Jian-Dong, Cheng Zhi, Xiangyu Ye +4 more

金刚石氮-空位（nitrogen-vacancy，NV）色心量子体系因在室温条件下具有可实现单自旋寻址与操控、长量子相干时间等独特优势，在固态量子计算、量子精密测量等领域展现了巨大的应用潜力，其中单自旋的精确操控技术对于NV色心应用的发展尤为关键。NV色心量子体系中常用的自旋操控方法都是通过共振的交变磁场驱动和操控NV色心电子自旋。近年来，利用电场对量子自旋实现电调控的相关研究得到了广泛的关注。本文开展了利用交变电场对NV色心电子自旋进行调控的技术研究。通过电极所产生的交变电场成功驱动了NV色心自旋在$|m_s=-1\rangle$与$|m_s=+1\rangle$两个$\Delta m_s =\pm2$的磁禁戒能级间的跃迁，并观测到受控自旋在相关能级的布居度周期性变化而展现出的Rabi振荡现象。进一步的研究表明电场驱动Rabi振荡的频率受驱动电场功率的调控，与驱动电场的共振频率无直接关系。将自旋电控制技术与磁控制技术方法相结合，能够实现对NV色心三个自旋能级间直接跃迁的全操控。自旋电控制技术的发展将进一步推动NV色心量子体系在量子模拟、量子计算、电磁场的精密测量等领域研究和应用的发展。

Acta Physica Sinica•Jan 1, 2022•0 citations

Three-Dimensional Stimulated Emission Depletion Microscopy of Nitrogen-Vacancy Centers in Diamond Using Continuous-Wave Light

Kyu Young Han, Katrin I. Willig, Eva Rittweger +3 more

Charged nitrogen-vacancy (NV) color centers in diamond are excellent luminescence sources for far-field fluorescence nanoscopy by stimulated emission depletion (STED). Here we show that these photostable color centers can be visualized by STED using simple continuous-wave or high repetition pulsed lasers (76 MHz) at wavelengths >700 nm for STED. Furthermore, we show that NV centers can be imaged in three dimensions (3D) inside the diamond crystal and present single-photon signatures of single color centers recorded in high density samples, demonstrating a new recording scheme for STED and related far-field nanoscopy approaches. Finally, we exemplify the potential of using nanodiamonds containing NV centers as luminescence tags in STED microscopy. Our results offer new experimental avenues in nanooptics, nanotechnology, and the life sciences.

Nano Letters•Jul 27, 2009•178 citations

Microwave microstructures for enhanced coherent control of nitrogen-vacancy center spin qubits in diamond

Adrian Kowar

Die Prinzipien und möglichen Anwendungen, sowie die grundsätzliche Implementierung kohärenter Manipulationen einzelner Elektronenspins in Stickstoff-Fehlstellen-Zentren in Diamant mittels optisch detektierter Magnetresonanz wurden in den vergangenen Jahren ausführlich erforscht. Nichts desto trotz ist es noch ein weiter Weg zu einer ausgereiften Anwendung. Eine essentielle Voraussetzung um dieses Ziel zu erreichen ist die Möglichkeit die Spinzustände mit hinreichender Genauigkeit zu manipulieren. Solche Manipulationen werden mittels Mikrowellen-Pulsen durchgeführt und würden in erster Linie von einer Beschleunigung der Zustandsübergänge profitieren, da Dekohärenz in Form von Spin-Dephasierungen das größte Hindernis das genannte Ziel zu erreichen darstellt. Ziel dieser Diplomarbeit ist es zu zeigen, dass es möglich ist die Genauigkeit der Spin-Manipulation zu erhöhen, indem eine Mikrostruktur zur Leitung der Mirowellensignale auf dem Diamanten errichtet wird. Diese soll die Welle von einem koplanaren Wellenleiter zum Diamanten leiten, wo dieser kurzgeschlossen wird, wodurch an diesem Ort ein starkes magnetisches Feld erzeugt wird. Da der Kurzschluss kreisförmig gestaltet wird, liegt die Annahme nahe, dass sich das Magnetfeld wie das einer geschlossenen stromdurchflossenen Leiterschleife verhält, welche durch Finite-Elemente-Simulationen erhärtet wird. Im Rahmen der Diplomarbeit wurde mit Methoden der Mikroelektronik, insbesondere Photo-Lithographie, von mir eine derartige Struktur angefertigt. Zusätzliche Schwierigkeiten ergaben sich aufgrund des Umstandes, dass die Struktur auf sehr kleinen Diamantproben platziert werden sollte. Die Lösung dieses Problems machte die Entwicklung eines eigenen Verfahrens notwendig. Um den Erfolg des Herstellungsprozesses zu demonstrieren, wurden einfache Magnetresonanzexperimente durchgeführt. Diese zeigen, dass die Mikrostruktur bessere Ergebnisse liefert als die vorangehende Ausführung, welche aus einem die Mikrowelle transmittierenden Drahtstück bestand. Es kann festgestellt werden, dass die Spin-Übergänge mit der Mikrostruktur schneller getrieben werden können, sich das Signal-Rausch-Verhältnis bei optisch detektierten Magnetresonanz Messungen bessert, das lokal stärkere Magnetfeld auf eine beliebige räumliche Ausdehnung skaliert werden kann und die Feldgeometrie und -position bezüglich der Defekte stets bekannt ist.

•Jan 1, 2013•0 citations

Stimulated fluorescence quenching in nitrogen–vacancy centers of diamond: temperature effects

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Laser-induced fluorescence quenching in nitrogen-vacancy (NV) centers in diamond is studied simultaneously with in situ measurements of the heating-induced shift of the electron spin resonance of NV centers in the presence of a microwave field. These experiments reveal a strong correlation between fluorescence suppression in NV centers and the rise of the local temperature inside the diamond crystal. This finding sheds light on quantum pathways behind stimulated fluorescence quenching in NV centers of diamond and may imply significant limitations on the applications of this effect as a method of superresolving imaging in biological systems.

Optics Letters•Apr 25, 2016•21 citations

Effect of Laser Radiation near 1.5 µm on the Photoluminescence Parameters and the Ensemble of NV Centers in Diamond

Maksim A. Smirnov, Mansur M. Minnegaliev, И. В. Федотов +2 more

The effect of laser radiation with a wavelength near 1.55 µm on the photoluminescence properties of “nitrogen-vacancy” (NV) color centers in diamond has been studied experimentally. The effect of radiation of an infrared laser on the charge state of color centers redistributes the spectral intensity of photoluminescence in the ensemble of NV centers. In the case of neutral NV centers, the quenching of photoluminescence reaching about 60% has been observed. A feature of the laser excitation of NV centers by this method is the absence of competition with stimulated emission and two-photon excitation, which is observed with an increase in the power of infrared radiation at other wavelengths.

Journal of Experimental and Theoretical Physics Letters•Jan 1, 2021•1 citation
高品质毫米波光源的匮乏是制约毫米波相干技术发展的重要瓶颈之一, 而在室温条件下实现高效、稳定的毫米波受激辐射, 已成为该技术领域亟待攻克的关键挑战. 针对这一难题, 本文提出一种基于强磁场调控氮空位(NV)色心基态零场分裂的室温毫米波受激辐射实现方案. 具体而言, 选取轴向强人造磁场(约2 T)作用下基态三重态能级发生塞曼分裂的NV色心作为毫米波激射的自旋介质——其优异的长自旋相干时间特性与可实现的光学初始化能力, 使得通过532 nm激光泵浦即可达成塞曼能级的布居数反转. 借助高品质因子(Q \approx 5\times 10^4)谐振腔构建的自旋-光子集体耦合模型, 本研究证实该方案的泵浦阈值可低至约270 s–1; 在理想条件下, 可输出功率达微瓦级的毫米波相干辐射, 从而有望在室温条件下, 为6G无线通信、深空探测等领域提供高品质毫米波相干光源.
高品质毫米波光源的匮乏是制约毫米波相干技术发展的重要瓶颈之一，而在室温条件下实现高效、稳定的毫米波受激辐射，已成为该技术领域亟待攻克的关键挑战。针对这一难题，本文提出一种基于强磁场调控氮空位（NV）色心基态零场分裂的室温毫米波受激辐射实现方案。具体而言，我们选取轴向强人造磁场（约2 T）作用下基态三重态能级发生塞曼分裂的NV色心作为毫米波激射的自旋介质——其优异的长自旋相干时间特性与可实现的光学初始化能力，使得通过532 nm激光泵浦即可达成塞曼能级的布居数反转。借助高品质因子（Q ≈ 5×104）谐振腔构建的自旋-光子集体耦合模型，本研究证实该方案的泵浦阈值可低至约270 s−1；在理想条件下，可输出功率达微瓦级的毫米波相干辐射，从而有望在室温条件下，为6G无线通信、深空探测等领域提供高品质毫米波相干光源。
金刚石氮-空位（nitrogen-vacancy，NV）色心量子体系因在室温条件下具有可实现单自旋寻址与操控、长量子相干时间等独特优势，在固态量子计算、量子精密测量等领域展现了巨大的应用潜力，其中单自旋的精确操控技术对于NV色心应用的发展尤为关键。NV色心量子体系中常用的自旋操控方法都是通过共振的交变磁场驱动和操控NV色心电子自旋。近年来，利用电场对量子自旋实现电调控的相关研究得到了广泛的关注。本文开展了利用交变电场对NV色心电子自旋进行调控的技术研究。通过电极所产生的交变电场成功驱动了NV色心自旋在∣ms=−1⟩|m_s=-1\rangle∣ms​=−1⟩与∣ms=+1⟩|m_s=+1\rangle∣ms​=+1⟩两个Δms=±2\Delta m_s =\pm2Δms​=±2的磁禁戒能级间的跃迁，并观测到受控自旋在相关能级的布居度周期性变化而展现出的Rabi振荡现象。进一步的研究表明电场驱动Rabi振荡的频率受驱动电场功率的调控，与驱动电场的共振频率无直接关系。将自旋电控制技术与磁控制技术方法相结合，能够实现对NV色心三个自旋能级间直接跃迁的全操控。自旋电控制技术的发展将进一步推动NV色心量子体系在量子模拟、量子计算、电磁场的精密测量等领域研究和应用的发展。
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Die Prinzipien und möglichen Anwendungen, sowie die grundsätzliche Implementierung kohärenter Manipulationen einzelner Elektronenspins in Stickstoff-Fehlstellen-Zentren in Diamant mittels optisch detektierter Magnetresonanz wurden in den vergangenen Jahren ausführlich erforscht. Nichts desto trotz ist es noch ein weiter Weg zu einer ausgereiften Anwendung. Eine essentielle Voraussetzung um dieses Ziel zu erreichen ist die Möglichkeit die Spinzustände mit hinreichender Genauigkeit zu manipulieren. Solche Manipulationen werden mittels Mikrowellen-Pulsen durchgeführt und würden in erster Linie von einer Beschleunigung der Zustandsübergänge profitieren, da Dekohärenz in Form von Spin-Dephasierungen das größte Hindernis das genannte Ziel zu erreichen darstellt. Ziel dieser Diplomarbeit ist es zu zeigen, dass es möglich ist die Genauigkeit der Spin-Manipulation zu erhöhen, indem eine Mikrostruktur zur Leitung der Mirowellensignale auf dem Diamanten errichtet wird. Diese soll die Welle von einem koplanaren Wellenleiter zum Diamanten leiten, wo dieser kurzgeschlossen wird, wodurch an diesem Ort ein starkes magnetisches Feld erzeugt wird. Da der Kurzschluss kreisförmig gestaltet wird, liegt die Annahme nahe, dass sich das Magnetfeld wie das einer geschlossenen stromdurchflossenen Leiterschleife verhält, welche durch Finite-Elemente-Simulationen erhärtet wird. Im Rahmen der Diplomarbeit wurde mit Methoden der Mikroelektronik, insbesondere Photo-Lithographie, von mir eine derartige Struktur angefertigt. Zusätzliche Schwierigkeiten ergaben sich aufgrund des Umstandes, dass die Struktur auf sehr kleinen Diamantproben platziert werden sollte. Die Lösung dieses Problems machte die Entwicklung eines eigenen Verfahrens notwendig. Um den Erfolg des Herstellungsprozesses zu demonstrieren, wurden einfache Magnetresonanzexperimente durchgeführt. Diese zeigen, dass die Mikrostruktur bessere Ergebnisse liefert als die vorangehende Ausführung, welche aus einem die Mikrowelle transmittierenden Drahtstück bestand. Es kann festgestellt werden, dass die Spin-Übergänge mit der Mikrostruktur schneller getrieben werden können, sich das Signal-Rausch-Verhältnis bei optisch detektierten Magnetresonanz Messungen bessert, das lokal stärkere Magnetfeld auf eine beliebige räumliche Ausdehnung skaliert werden kann und die Feldgeometrie und -position bezüglich der Defekte stets bekannt ist.
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