論文の概要: Characterization of low-nitrogen quantum diamond for pulsed magnetometry applications
- arxiv url: http://arxiv.org/abs/2509.06884v1
- Date: Mon, 08 Sep 2025 17:02:46 GMT
- ステータス: 翻訳完了
- システム内更新日: 2025-09-09 14:07:04.273047
- Title: Characterization of low-nitrogen quantum diamond for pulsed magnetometry applications
- Title（参考訳）: 低窒素量子ダイヤモンドのパルス磁気計測への応用
- Authors: Jiashen Tang, Connor A. Roncaioli, Andrew M. Edmonds, Atli Davidsson, Connor A. Hart, Matthew L. Markham, Ronald L. Walsworth,
- Abstract要約: 我々は低[N$_texts0$](sim,0.8,textppm$)NV濃縮ダイヤモンド材料を合成・特性化する。
低[N$_texts0$]ダイヤモンドは、中等度および低光学的NV励起強度で高[N$_texts0$]ダイヤモンドより優れることを示す。
- 参考スコア（独自算出の注目度）: 0.0
- License: http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
- Abstract: Ensembles of nitrogen-vacancy (NV) centers in diamond are versatile quantum sensors with broad applications in the physical and life sciences. The concentration of neutral substitutional nitrogen ([N$_\text{s}^0$]) strongly influences coherence times, sensitivity, and optimal sensing strategies. Diamonds with [N$_\text{s}^0$] $\sim\,1-10\,\text{ppm}$ are a focus of recent material engineering efforts, with higher concentrations being favorable for continuous-wave optically detected magnetic resonance (CW-ODMR) and lower concentrations expected to benefit pulsed magnetometry techniques through extended NV electronic spin coherence times and improved sensing duty cycles. In this work, we synthesize and characterize low-[N$_\text{s}^0$] ($\sim\,0.8\,\text{ppm}$), NV-enriched diamond material, engineered through low-strain chemical vapor deposition (CVD) growth on high-quality substrates, $^{12}$C isotopic purification, and controlled electron irradiation and annealing. Our results demonstrate good strain homogeneity in diamonds grown on CVD substrates and spin-bath-limited NV dephasing times. By measuring NV spin and charge properties across a wide range of optical NV excitation intensity, we provide direct comparisons of photon-shot-noise-limited magnetic sensitivity between the current low-[$\text{N}_\text{s}^0$] and previously studied higher-[$\text{N}_\text{s}^0$] ($\sim\,14\,\text{ppm}$) NV-diamond sensors. We show that low-[N$_\text{s}^0$] diamond can outperform higher-[N$_\text{s}^0$] diamond at moderate and low optical NV excitation intensity. Our results provide practical benchmarks and guidance for selecting NV-diamond sensors tailored to specific experimental constraints and sensing requirements.
- Abstract（参考訳）: ダイヤモンド中の窒素空孔(NV)中心のアンサンブルは、物理的および生命科学に広く応用された多用途量子センサーである。
中性置換窒素([N$_\text{s}^0$])の濃度は、コヒーレンス時間、感度および最適センシング戦略に強く影響を及ぼす。
N$_\text{s}^0$] $\sim\,1-10\,\text{ppm}$ のダイヤモンドは、連続波光検出磁気共鳴(CW-ODMR)に高濃度が好適であり、NV電子スピンコヒーレンス時間の拡張によるパルス磁気メトリー技術への恩恵が期待できる。
本研究は, 高品質基板上の低ひずみ化学気相蒸着(CVD)成長, $^{12}$C同位体浄化, 制御電子照射および熱処理により作製した低[N$_\text{s}^0$](\sim\,0.8\,\text{ppm}$), NV濃縮ダイヤモンド材料を合成・特性評価する。
CVD基板上に成長したダイヤモンドのひずみ均一性とスピンバス制限NV劣化時間について検討した。
NVスピンと電荷特性を幅広い光学的NV励起強度で測定することにより、現在の低域[$\text{N}_\text{s}^0$]と、それ以前の高域[$\text{N}_\text{s}^0$](\sim\,14\,\text{ppm}$)NVダイアモンドセンサとの直接比較を行う。
低[N$_\text{s}^0$]ダイヤモンドは、中程度の光学的NV励起強度で高[N$_\text{s}^0$]ダイヤモンドより優れることを示す。
本研究は,NVダイアモンドセンサを特定の実験的制約やセンサの要求に合わせて選択するための実用的なベンチマークとガイダンスを提供する。
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