論文の概要: Materials and spin characteristics of amino-terminated nanodiamonds embedded with nitrogen-vacancy color centers

• arxiv url: http://arxiv.org/abs/2502.07706v1
• Date: Tue, 11 Feb 2025 17:03:53 GMT
• ステータス: 翻訳完了
• システム内更新日: 2025-02-12 14:06:15.648048
• Title: Materials and spin characteristics of amino-terminated nanodiamonds embedded with nitrogen-vacancy color centers
• Title（参考訳）: 窒素空色中心に埋め込まれたアミノ末端ナノダイヤモンドの材料とスピン特性
• Authors: Nikoletta Jegenyes, Vladimir Verkhovlyuk, Szabolcs Czene, Attila Csáki, Olga Krafcsik, Zsolt Czigány, David Beke, Adam Gali,
• Abstract要約: 蛍光ナノダイヤモンド(FND)の適切な機能化は、化学および生物学的プロセスにおけるプローブとしての利用に必要である。 FNDの表面を変更することは、キュービットセンサーの特性に影響を与える可能性がある。 組込み窒素空洞(NV)カラーセンターの基本特性をFNDサイズと表面終端の関数として検討した。
• 参考スコア（独自算出の注目度）: 0.0
• License:
• Abstract: Understanding and controlling fluorescent nanodiamonds (FNDs) with optically read qubits is a key focus of research, as they show high potential for detecting electric and magnetic fields, temperature, and other physico-chemical quantities at the nanoscale, which are highly sought after in chemistry and biology. Proper functionalization of FNDs is required for their application as probes in chemical and biological processes. However, modifying the surface of FNDs can affect the properties of qubit sensors. In this work, we thoroughly study the fundamental properties of embedded nitrogen-vacancy (NV) color centers as a function of FND size and surface termination. The FNDs were produced by milling high-pressure, high-temperature diamonds, and NV centers were introduced via electron beam irradiation and annealing. In particular, the initial FNDs, covered with various oxygen groups, were homogenized through a reduction process to predominantly cover them with alcohol ($-$OH) groups as reference FNDs. Additionally, a Hofmann degradation process was applied to terminate FNDs with amine ($-$NH$_2$) groups, enabling direct linkage of proteins and other biomolecules to the FNDs. We monitored the charge state stability upon illumination, the zero-field splitting parameters, and the longitudinal spin-relaxation time of the NV centers in these FNDs. Our findings indicate that charge state stabilization of the NV centers was achieved in both $-$OH- and $-$NH$_2$-terminated FNDs beyond a certain FND size. Furthermore, we demonstrate that $-$NH$_2$-terminated FNDs embedding NV centers exhibit a $T_1$ longitudinal relaxation time of approximately 25~$\mu$s, independent of FND size within the studied range of 10~nm to 140~nm. This relaxation time is comparable to that of larger-sized reference FNDs.
• Abstract（参考訳）: 光可読量子ビットを用いた蛍光ナノダイアモンド(FND)の理解と制御は研究の焦点であり、化学や生物学において特に求められているナノスケールにおける電場や磁場、温度、その他の物理化学的量を検出する高い可能性を示す。 FNDの適切な機能化は、化学的および生物学的プロセスにおけるプローブとしての利用に必要である。 しかし、FNDの表面を変えることは、量子ビットセンサーの特性に影響を与える可能性がある。 本研究では, 埋込窒素空洞(NV)カラーセンタの基本特性をFNDサイズと表面終端の関数として, 徹底的に研究する。 FNDは高圧ダイヤモンドをミリングして製造され、NV中心は電子線照射と熱処理によって導入された。 特に、初期FNDは様々な酸素基で覆われており、還元過程を通じて同化され、アルコール(-$OH)基を基準FNDとして主に被覆した。 さらに、ホフマン分解法を用いて、FNDをアミン(-$NH$_2$)基で停止させ、タンパク質や他の生体分子とFNDとの直接結合を可能にした。 これらのFNDでは、照明時の電荷状態安定性、ゼロフィールド分割パラメータ、NV中心の縦方向スピン緩和時間を測定した。 以上の結果から,NV中心の電荷安定化は,一定のFNDサイズを超えて,$-$OHと$-$NH$_2$-terminated FNDで達成された。 さらに、NV中心を埋め込んだ$-$NH$_2$-terminated FNDsは10〜nmから140〜nmの範囲でFNDサイズに依存しない約25〜$\mu$sの縦緩和時間を示すことを示した。 この緩和時間は、より大きな参照FNDの時間に匹敵する。

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