Исследование спиновых свойств одиночных комплексов NV-13C в алмазе для применения в магнитометрии тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 00.00.00, кандидат наук Салказанов Александр Тотразович

• Салказанов Александр Тотразович
• кандидат наук
• 2025

Оглавление диссертации кандидат наук Салказанов Александр Тотразович

Введение

Глава 1 Гибридная квантовая система КУ-13С в алмазе

1.1 Комплекс КУ-13С в алмазе

1.1.1 Атомная и энергетическая структура комплекса КУ-13С

1.1.2 Сверхтонкое взаимодействие в комплексе КУ-13С

1.1.3 Формирование комплексов КУ-13С в алмазе

1.2 Комплекс КУ-п13С в алмазе

1.2.1 Формирование комплексов КУ-п13С в алмазе

1.3 Методы роста алмаза

1.3.1 Метод НРНТ- роста

1.3.2 Метод СУБ-роста

1.4 Выводы главы

Глава 2 Приборы и методы исследования

2.1 Оптическая часть

2.1.1 Принципы конфокальной микроскопии

2.1.2 Пространственное разрешение и эффективность сбора конфокальной системы

2.1.3 Лазерный сканирующий конфокальный микроскоп СопМес МК

2.2 Автокорреляционная функция второго порядка

2.2.1 Излучение одиночного источника фотонов

2.2.2 Техника измерения автокорреляционной функции второго порядка

2.2.3 Обработка временных меток с помощью коррелятора на ПЛИС

2.2.4 Тестирование коррелятора

2.3 Техника измерения ОДМР

2.3.1 Функциональный макет кристалла квантового сенсора

2.4 Выводы главы

Глава 3 Методика исследования состава алмазных СУБ слоев

3.1 Описание образцов с увеличенным содержанием 13С

3.2 Исследование состава алмазных СУБ-слоев

2

3.2.1 Расчет концентрации изотопов 13С

3.2.2 Концентрация КУ - центров

3.2.3 Описание схемы измерения спектральных карт

3.2.4 Обработка спектров

3.2.5 Результаты исследования алмазных образцов

3.2.6 Результаты ВИМС - анализа

3.3 Выводы главы

Глава 4 Спектры ОДМР образцов с различным содержанием 13С

4.1 Спиновый гамильтониан NV-13C

4.2 ОДМР ансамблей в образце с природным содержанием 13С

4.2.1 Моделирование ансамблей в образце с природным содержанием 13С

4.2.2 ОДМР в отсутствии и при приложении магнитного поля

4.3 ОДМР ансамблей КУ-центров в СУО-алмазе с повышенным содержанием изотопов 13С

4.4 Выводы главы

Глава 5 Магнитометрия с помощью одиночного комплекса КУ-13С

5.1 Поиск и идентификация комплекса КУ-13С

5.1.1 Поиск комплекса КУ-13С

5.1.2 ОДМР комплекса КУ-13С

5.1.3 Интерпретация спектра ОДМР

5.2 Использование вырождения Крамерса в комплексе КУ-13С для магнитометрии

5.2.1 Теоретический анализ влияния деформации на ОДМР КУ-центра и комплекса КУ-13С

5.2.2 Оценка магнитного поля Земли с помощью КУ-13С

5.3 Векторная магнитометрия с помощью КУ-13С

5.3.1 ОДМР в магнитном поле

5.3.2 Оценка В и 0 магнитного поля

5.4 Выводы главы

Заключение

3

Благодарности

Список литературы

Приложение

Приложение

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Исследование спиновых свойств одиночных комплексов NV-13C в алмазе для применения в магнитометрии»

Введение Актуальность темы исследования

Стремительное развитие науки и технологий в XXI веке открывает перед человечеством принципиально новые горизонты, особенно в области квантовых технологий, основанных на фундаментальных законах квантовой физики. Эти технологии, помимо уже реализованных транзисторов и лазеров, становятся платформой для создания качественно новых решений в вычислениях, сенсорике, связи и моделировании. Современные исследования сосредоточены не только на коллективных квантовых эффектах, которые определяют принципы работы компонентной базы микроэлектроники, но и на управлении отдельными квантовыми объектами — атомами, фотонами, электронами, — что позволяет использовать такие явления, как квантовая суперпозиция и запутанность, для реализации квантовых устройств [1]. Основные области применения квантовых технологий включают квантовые коммуникации, квантовые вычисления, сенсорику и симуляцию [2].

Центры азот-вакансия (ЫУ) в алмазе считаются одной из самых

перспективных физических платформ для развития квантовых технологий и

разработки квантовых устройств. NУ-центр состоит из замещающего атома

азота (14К) и вакансии (У) в соседнем узле решетки алмаза [3]. Центр в

основном состоянии 1 имеет электронный спин S = 1, сверхтонко

взаимодействующий (СТВ) со спинами I = 1/2 изотопических атомов 13С,

которые обычно распределены в решетке алмаза случайным образом, замещая

бесспиновые атомы 12С с вероятностью 1.1 % в естественных условиях. NV-

центр обладает уникальными взаимосвязанными оптическими и спиновыми

свойствами, позволяющими осуществлять оптическую инициализацию и

высокоточное считывание его электронного спинового состояния [3-5], и его

можно использовать для управления ядерными спинами 13С [5]. В настоящее

время эффективно используются методики целенаправленного управления

спиновыми конфигурациями в системах NV-13С. Эти подходы позволяют

реализовывать квантовые вычислительные протоколы, а также осуществлять

считывание состояний как электронных, так и ядерных спиновых подсистем [3-5].

Одиночные NV-центры рассматриваются как одна из самых перспективных платформ для создания высокочувствительных сенсоров. Такие сенсоры способны детектировать сверхслабые магнитные и электрические поля, а также локальные изменения температуры с нанометровой точностью [6-10]. Метрологический потенциал NV-центров основывается на регистрации величины расщепления между энергетическими уровнями, соответствующими проекциям электронного спина mS = ±1. Данный энергетический параметр находится в прямой зависимости от интенсивности внешних полей, воздействующих на центр.

Одиночный NV-центр, обладающий симметрией Cзy, позволяет

измерить только абсолютное значение магнитной индукции и полярный угол

вектора. Однако, чтобы полностью реконструировать векторное магнитное

поле, необходимо также найти его азимутальный угол. В работах [11-13] было

показано, что эту проблему можно решить, используя одиночный комплекс

NV-13C, поскольку в данной системе благодаря СТВ электронного и ядерного

спинов имеет место слабая, проявляющаяся во втором порядке теории

возмущений, зависимость энергетических уровней комплекса от

азимутального угла, регистрация которой и позволяет осуществлять полную

векторную магнитометрию с помощью такого комплекса. В [13] это было

реализовано экспериментально с использованием комплекса NV-13C, в

котором ядерный спин 13С был одним из трех ближайших соседей вакансии

NV-центра и вследствие этого наиболее сильно сверхтонко взаимодействовал

с электронным спином NV-центра. В рамках данного исследования

рассматривается перспектива проведения векторной магнитометрии с

применением экспериментально идентифицированного одиночного

комплекса МУ-13С. В данной системе ядерный спин углерода-13 расположен в

третьей координационной сфере МУ-центра. Для этого комплекса были

экспериментально зарегистрированы спектры оптически детектируемого

магнитного резонанса (ОДМР) в условиях варьирующихся внешних магнитных полей. Интерпретация зарегистрированных спектров ОДМР проводилась на основе справочной информации о параметрах сверхтонкого взаимодействия, рассчитанных в работе [14] с применением методов квантово-химического моделирования.

Кроме того, одной из проблем магнитометрии на основе КУ-центров в алмазе является необходимость учитывать влияние на КУ-сенсоры электрического внутрикристаллического поля, которое в реальных кристаллах алмаза может быть довольно сильным вследствие наличия дефектов кристаллической структуры, приводящих к появлению напряжений в кристалле [15]. В этой связи актуальной является проблема различения вкладов магнитного и электрического полей при анализе спектров ОДМР КУ-центра, используемого в качестве сенсора. Для этой цели в качестве сенсоров было предложено использовать крамерсово вырожденные спиновые системы [16, 17], т. е. системы с полуцелым спином, состояния которых являются дважды вырожденными в присутствии электрического/кристаллического поля, и это вырождение снимается только магнитным полем. Исследуемый в данной работе комплекс КУ-13С является такой системой. В данной работе проводится численное моделирование спектров ОДМР комплекса КУ-13С в магнитных и электрических полях с учетом ядерного спина К, а также проведена оценка магнитного поля Земли с помощью такого наносенсора.

Так же, несмотря на большой пласт исследований, до сих пор проблемой является контролируемое получение таких комплексов в алмазе, поскольку естественное содержание 13С в алмазе составляет 1.1%, образование комплекса КУ-13С является случайным процессом. Для решения этой проблемы используется технология искусственного повышения содержания 13С в алмазе [18]. В данной работе кроме образцов с природным изотопным составом так же исследуются образцы с увеличенным содержанием 13С: 19±2%, 29±2%, 98±2%. Во всех трёх образцах с повышенным содержанием изотопа 13С присутствуют ансамбли КУ-центров. Для их исследования в

7

работе предложена экспериментальная методика, основанная на анализе спектров комбинационного рассеяния и фотолюминесценции, позволяющая оценивать концентрации NV-центров и 13С, а также получать информацию о процессах роста и формирования NV-центров в изотопно модифицированном алмазе. Так же, в работе проведены измерения спектров ОДМР исследуемых образцов, как в отсутствии, так и при наличии внешних магнитных полей. Для интерпретации экспериментальных данных выполнено моделирование спектров ОДМР.

Таким образом, актуальность данной работы обусловлена необходимостью создания высокочувствительных и устойчивых к внешним возмущениям квантовых сенсоров нового поколения. Полученные результаты создают предпосылки для дальнейшего совершенствования технологий измерения слабых магнитных полей и разработки высокочувствительных сенсорных систем.

Цель и задачи исследования

Целью настоящей диссертационной работы является разработка и экспериментальная реализация метода квантовой векторной магнитометрии на основе одиночного спинового комплекса NV-13C в синтетическом алмазе, в котором изотоп углерода-13 (13С) расположен в третьей координационной сфере относительно вакансии. Использование такого комплекса позволяет повысить точность измерений слабых магнитных полей за счёт подавления влияния внутрикристаллических деформационных и связанных с ними электрических полей.

Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:

1. С применением метода спинового гамильтониана построить квантово-механическую модель комплекса М^13С, учитывающую взаимодействие с

магнитным и электрическим полями, а также возможное сверхтонкое взаимодействие с несколькими ядрами 13С.

2. Создать макет кристалла квантового сенсора на основе функционального СУБ-слоя алмаза на НРНТ-подложке, содержащего микрополосковую линию для подведения к комплексу КУ-13С управляющего СВЧ-сигнала, иммерсионные твердотельные микролинзы для повышения внешнего квантового выхода, а также обеспечивающего оптическую адресацию и эффективное сопряжение с подсистемами ОДМР-спектроскопии и измерения автокорреляционной функции второго порядка.

3. Разработать методику пространственно-коррелированного анализа распределения КУ-центров и изотопа 13С в СУО-алмазе на основе флуоресцентной и рамановской спектроскопии.

4. Выполнить экспериментальный поиск одиночных комплексов КУ-13С с расположением атома 13С в третьей координационной сфере относительно вакансии.

5. Провести теоретический и экспериментальный анализ влияния магнитных и электрических полей на спектры ОДМР комплекса КУ-13С.

Научная новизна

1. Впервые разработана и экспериментально верифицирована количественная квантово-механическая модель одиночного комплекса КУ-центра в алмазе с ядерным спином 13С, являющимся третьим соседом вакансии, учитывающая полный набор взаимодействий и обеспечивающая точную интерпретацию спектров ОДМР такой спиновой системы.

2. Впервые показана возможность использования одиночного комплекса КУ-13С с атомом 13С в третьей координационной сфере относительно вакансии в качестве квантового сенсора для векторной магнитометрии при комнатной температуре.

3. Установлено, что в системе КУ-13С вырождение снимается

исключительно под действием внешнего магнитного поля, что обеспечивает

9

подавление влияния внутрикристаллических деформационных и связанных с ними электрических полей на энергетические уровни комплекса. С использованием одиночного комплекса КУ-13С выполнена оценка магнитного поля Земли, что подтверждает экспериментальную реализуемость разработанного подхода.

Практическая значимость

1. Использование гибридной спиновой системы КУ-13С позволит повысить точность измерений слабых магнитных полей за счёт подавления влияния внутрикристаллических деформационных и связанных с ними электрических полей.

2. Получен патент РФ на изобретение № 2843830 «Устройство для наномасштабной визуализации слабых магнитных полей на основе комплекса КУ-13С». Приоритет 05.02.2025 г.

3. Результаты диссертационной работы используются при реализации крупного научного проекта № 075-15-2024-556 от «25» апреля 2024 г. и задач, решаемых в рамках НЦМУ «Электронные и квантовые технологии на основе синтетического алмаза».

Основные положения, выносимые на защиту

1. Квантово-механическая модель комплекса М^13С, основанная на спиновом гамильтониане, учитывающем воздействие магнитного и электрического полей, а также сверхтонкое взаимодействие с ядрами 13С. Модель обеспечивает точность воспроизведения частот резонансных линий ОДМР в пределах ±1.18 МГц.

2. Экспериментальные данные относительно величины расщепления нулевого поля (13.58 ±0.06 МГц) в спектре ОДМР комплекса с атомом 13С, расположенным в третьей координационной сфере.

3. Способ измерения слабых магнитных полей (порядка 10 мкТл) на основе

крамерсово вырожденной спиновой системы М^13С, обладающий сниженной

10

чувствительностью к электрическим возмущениям и механическим напряжениям, что повышает точность определения модуля и вектора магнитного поля.

4. Методика визуализации магнитного поля (порядка 5 мТл) с помощью комплекса КУ-13С с атомом 13С, являющимся третьим соседом вакансии.

Достоверность результатов обеспечивается их многократной проверкой с использованием современного оборудования, а также корреляцией с имеющимися в литературе данными.

Апробация работы

Изложенные в диссертационной работе научные результаты докладывались и обсуждались на следующих международных и всероссийских конференциях: на Х1У Международной научной конференции «Фуллерены и наноструктуры в конденсированных средах» (г. Минск, 18 - 20 сентября, 2024 г.), на российском форуме «Микроэлектроника - 2023» (г. Сочи, 9 - 14 октября 2023 г.), на российская конференции и школе молодых ученых по актуальным проблемам полупроводниковой фотоэлектроники «Фотоника 2023» (г. Новосибирск, 4-8 сентября 2023 г.), на IX международной молодёжной научной школе-конференция «Современные проблемы физики и технологий» (г. Москва, 26 - 28 апреля 2022 г.), на научно-практической конференции по физике и технологии наногетероструктурной СВЧ-электроники «Мокеровские чтения» (г. Москва, 2020 -2024 г.).

Публикации

Основные результаты диссертационной работы опубликованы в 3 статьях в журналах, индексируемых в базе данных Scopus, 1 статье в журнале из перечня ВАК, 7 работах в сборниках трудов конференций, а также в 1 патенте на изобретение.

Научные статьи в журналах и изданиях, включенных в перечень ВАК Министерства науки и высшего образования Российской Федерации:

1. Салказанов А.Т., Гусев А.С., Калошин М.М., Косогорова Т.А., Низовцев А.П., Килин С.Я., Каргин Н.И. Наносенсор слабых магнитных полей на основе крамерсово вырожденной спиновой системы 14NV-13C // Письма в Журнал технической физики. — 2025. — Т. 51, № 13. — С. 7-10. (ВАК К1)

Научные статьи в журналах, входящих в базы данных Scopus:

2. Salkazanov A.T., Gusev A.S., Kaloshin M.M., [et al.] Optically detectable magnetic resonance of NV-center ensembles in CVD diamond with different 13C contents // Journal of Applied Spectroscopy. — 2024. — Vol. 91, No. 5. — P. 9941002. — DOI: 10.1007/s10812-024-01812-x. (Scopus Q4)

3. Nizovtsev A.P., Kukin N.S., Muradova A.R., Semenov P.A., Salkazanov A.T., Smirnova M.O., Pushkarchuk A.L., Vasilev A.N., Kargin N.I., Kilin S. Ya.. Vector Magnetometry Using a Single NV-13C Complex in Diamond // Journal of Applied Spectroscopy. - 2023. - V. 89. - I.6. - pp. 1064-1071. — DOI: 10.1007/s10812-023-01467-0. (Scopus Q4)

4. Salkazanov А-T., Smirnova M.O., Tarelkin S.A., Gusev A.S., Drozdova T.E., Kaloshin M.M., Kargin N.I., Kornilov N.V., Nizovtsev A.P. Investigation of Isotopic Composition and Purity of 13C-Enriched CVD-Diamond Layers by Raman Spectroscopy and Photoluminescence // Journal of Applied Spectroscopy. - 2023. -V. 89. - I. 6. - pp. 1059-1063. — DOI: 10.1007/s10812-023-01466-1. (Scopus Q4)

Патенты:

5. Каргин Н.И., Гусев А.С., Салказанов А.Т., Калошин М.М., Васильев А.Н., Кукин Н.С., Семёнов П.А., Низовцев А.П. Устройство для

наномасштабной визуализации слабых магнитных полей на основе комплекса КУ-13С // Патент РФ № 2843830, опубликовано 18.07.2025, бюл. № 20.

Личный вклад автора

Все результаты, представленные в диссертации, получены автором лично или при его непосредственном участии. В частности, измерение спектров комбинационного рассеяния света (КРС), флуоресценции и ОДМР, обработку данных, а также моделирование спектров ОДМР.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из пяти глав, включающих литературный обзор, описание приборов и методов исследования, а также содержащих описание методики расчета концентрации, исследование ОДМР алмазов с различным содержанием 13С, магнитометрию с одиночным комплексом КУ-13С, заключения, перечня цитируемой литературы и два приложения. Работа изложена на 138 страницах и содержит 54 рисунка, 3 таблицы, 101 источник литературы.

Глава 1 Гибридная квантовая система NV-13C

В главе 1 рассмотрены спиновые свойства одиночных комплексов КУ-13С, а также спиновые системы, где одиночный КУ-центр связан с несколькими близко расположенными изотопами 13С. Так же рассмотрены методы формирования таких комплексов и методы роста алмаза.

1.1 Комплекс NV-13C в алмазе 1.1.1 Атомная и энергетическая структура комплекса ^У-13С

КУ-центр является одним из множества дефектов в алмазе, он состоит из атома азота и связанной с ним вакансии и потенциально в алмазной решетке рядом с КУ-центром может находится изотоп 13С (рисунок 1, а)). При возбуждении лазером 532 нм, КУ-центр демонстрирует стабильную флюоресценцию в диапазоне примерно 630 - 850 нм рисунок 1, б). Помимо особенностей флуоресцентных свойств, следует отметить, что КУ-центр представляет собой уникальную твердотельную квантовую систему, в которой возможно управление спиновыми состояниями. За счет устойчивости к спонтанной декогеренции в широком температурном диапазоне КУ-центры активно используются в квантовых технологиях. Природная жесткость алмазной решетки обеспечивает защиту спинового состояния от внешних возмущений, что позволяет сохранять когерентность даже в условиях термического шума при комнатной температуре. Если 13С оказывается близко к КУ-центру, они образуют связанную систему, за счет сверхтонкого взаимодействия электронного спина КУ-центра (Б = 1) и ядерного спина 13С (I = 1/2).

а)

б)

Рисунок 1.1. а) Атомная структура КУ-центра и изотоп 13С расположенный в первой координационной сфере, б) спектр флюоресценции КУ-центра, с нулевой фононной линией на длине волны 637 нм [19]

Как уже было отмечено, большой интерес к КУ-центрам вызван тем, что он обладает длительным временем декогеренции при комнатной температуре (1.8 мс [20]) и тем, что его спиновые состояния можно детектировать по уровню флюоресценции. То есть в состоянии с проекцией спина = 0, флюоресценция на 30% интенсивней, чем в состоянии = +1 или = -1. Оптические переходы в КУ-центре приведены на рисунке 1.2, а). Методика управления спином КУ-центра основана на ОДМР. Физической базой ОДМР является способность КУ-центров изменять свою фотолюминесценцию при индуцированных СВЧ-излучением переходах между спиновыми подуровнями. В эксперименте ОДМР NV-центр возбуждается зелёным лазером, а интенсивность его флуоресценции измеряется в зависимости от частоты приложенного СВЧ-поля. На резонансных частотах наблюдается падение интенсивности флуоресценции за счет увеличения вероятности перехода между состояниями = 0 и тэ = ±1. В отсутствии магнитного поля регистрируется один резонансный пик на частоте 2.87 ГГц. Внесение

магнитного поля приводит к расщеплению резонансных линий, а частоты переходов могут быть описаны выражением:

и = 0±де^вВг (1.1)

в котором де~ 2.003 представляет собой гиромагнитное отношение для электрона, - величина магнетона Бора, а Вг обозначает компоненту вектора магнитного поля, направленную вдоль оси симметрии дефекта. Регистрация частот расщепленных резонансных линий позволяет экспериментально определить величину проекции магнитного поля на ось NV-центра. На рисунке 1.2, б) приведены спектры ОДМР при различных магнитных полях, где можно видеть, что расщепление резонансных линий ОДМР пропорционально приложенному полю.

а)

б)

Рисунок 1.2. а) Энергетическая структура и переходы в КУ-центре [21], б) Спектры ОДМР при различных внешних магнитных полях [6]

Наличие проксимального изотопа 13С приводит к дополнительному расщеплению энергетических уровней КУ-центра (рисунок 1.3, а)). Сверхтонкое взаимодействие с изотопом 13С приводит к расщеплению

состояний те на две компоненты, соответствующих состояниям ядерного спина Ш1 = +1/2 и Ш1 = -1/2. Данное расщепление удается зафиксировать методом ОДМР, что проиллюстрировано на рисунке 1.3, б).

а) б)

1.02

_I_I_I_I_

2750 2800 2850 2900 2950 3000

Ргеяиепсу, МНг

с)

Рисунок 1.3. а) Расщепление энергетических уровней КУ-центра при наличии близкорасположенного атома 13С (без учета 14К), б) Спектр ОДМР КУ-13С при отсутствии и при приложении внешнего магнитного поля [22], с)

Симметрия КУ-13С [11]

Присутствие близко расположенного атома 13С изменяет свойства симметрии NV-центра: симметрия С3У понижается до зеркальной Сб (рисунок 1.3 с). Это приводит к тому, что энергетические уровни становятся чувствительными к азимутальному углу магнитного поля, в виде расщепления основного состояния те = 0 на Д[11]:

2|уеЯ5т0|/^ Г" _ , , _ \ (1.2)

А «---ПА}Х + А2Х2со52у + \Ауу\зт2ф 1

где В - модуль вектора магнитной индукции, 0 - полярный угол, ф -азимутальный угол В. Таким образом, измеряя Д можно проводить полную векторную магнитометрию с помощью одиночного комплекса КУ-13С [12,13], что подробней рассмотрено в главе 5 данной работы.

1.1.2 Сверхтонкое взаимодействие в комплексе NV-13C

Взаимодействие между спиновыми магнитными моментами электрона КУ-центра и ядерного спина изотопа 13С относится к классу сверхтонких взаимодействий. Математически СТВ описывается с помощью тензора А, который в некоторой системе координат можно представить как симметричную матрицу Акь (К, Ь=Х, У, 7), элементы которого зависят от положения атомов 13С относительно КУ-центра. Матрица А включает в себя две составляющие [23]:

• Ферми-контактное взаимодействие. Возникает из-за взаимодействия между магнитным моментом ядра и магнитным моментом спина электрона, когда электронная плотность присутствует непосредственно на ядре.

• Диполь-дипольное взаимодействие. Это взаимодействие между магнитным моментом ядра и магнитным моментом электрона, которое учитывает их взаимное расположение в пространстве. Эта величина определяется расстоянием между ядерными и электронными спинами, а также их взаимной пространственной ориентацией.

Таким образом, тензор А можно записать виде:

А = ^с1з + Т (1.3)

Где = Тг(А)/3 - изотропная часть (контактное взаимодействие), 13 единичная матрица 3x3 и Т тензор, описывающий диполь-дипольное взаимодействие, элементы которого зависят от выбора системы координат, при этом Тг(Т) = 0.

Основным методом определения тензоров сверхтонкого взаимодействия является спектроскопия электронного парамагнитного резонанса (ЭПР) [2335]. На рисунке 1.4 представлен спектр ЭПР комплекса КУ-13С, где можно видеть 24 резонансные линии, определяемые сверхтонким взаимодействием с ядерным спином азота N и углерода 13С в первой координационной сфере относительно NV-центра. Измеряются спектры ЭПР при различных направлениях магнитного поля относительно NV-центра, затем положения резонансных линий аппроксимируются с помощью модели, основанной на спиновом гамильтониане, и вычисляются компоненты тензора А. Слабо связанные ядерные спины могут быть обнаружены и охарактеризованы экспериментально [26-28] с использованием методов динамической развязки [29-31], которые, в частности, позволяют непосредственно исследовать их стохастическую триггерную динамику, возникающую в результате СТВ с NV центром [32].

с

2.8 2.81 2.82 2.83 2.93 2.94 2.95

Frequency (GHz)

Рисунок 1.4. Спектр ЭПР комплекса NV-13C [11]

Для анализа характеристик сверхтонкого взаимодействия могут быть успешно применены современные подходы компьютерного моделирования спиновых систем. Эти методы обеспечивают высокую точность расчёта пространственных, электронных и спиновых свойств нанокластеров [33-37] или суперячеек [38] алмаза, содержащих NV-центры. Далее эти данные применяются для вычисления характеристик сверхтонких взаимодействий в различных системах NV-13C, отличающихся взаимным расположением электронного и ядерного спинов. Полученные характеристики можно использовать в методе спинового-гамильтониана для описания экспериментально наблюдаемых зависимостей, а также для поиска и предсказания оптимальных условий проведения планируемых экспериментов. Например, в исследовании [14] был выполнен подробный теоретический разбор характеристик сверхтонких взаимодействий в пассивированном водородом алмазном кластере С5ю[КУ]Н252, содержащем NV-центр (см. рисунок 1.5). Все расчеты проводились в согласованной системе координат, привязанной к главным осям (СГО) NV-центра: начальная точка размещалась на атоме азота, ось Ъ совпадала с осью симметрии С3У, а направления осей X и У выбирались произвольно.

Рисунок 1.5. Кластер С510[КУ]Н252 с центральным расположением в нем

КУ-центра [14]

Вычисленные матрицы могут быть приведены к диагональному виду Л=U-1AU через унитарное преобразование ^ которое описывает переход от системы главных осей (СГО) NV-центра к системе главных осей ядерного спина 13С Элементы этой матрицы U выражают направляющие косинусы, связывающие оси двух систем координат. База данных СТВ полученная в работе [14] будет активно использоваться в последующих главах для моделирования спектров ОДМР комплексов NV-13C.

Кроме того, в работе [14] наряду с ожидаемыми стабильными системами «NV-аксиальный 130>, в которых ядерный спин ^ расположен на оси NV, впервые были обнаружены новые семейства положений для ядерного спина 13^ демонстрирующего незначительные скорости переворачивания, вызванные СТВ, из-за почти симметричного локального распределения спиновой плотности. Эти позиции расположены в алмазном бислое, проходящем через вакансию NV-центра и перпендикулярном оси квантования. Наличие стабильных ядерных спинов 13С с длительным временем когерентности имеет ключевое значение для разработки квантовых регистров на основе NV-центров, поскольку такие спины могут служить надежными квантовыми битами (кубитами) с возможностью длительного хранения квантовой информации и выполнения многошаговых квантовых операций. Их слабая связь с флуктуациями окружающей спиновой среды обеспечивает высокую устойчивость к декогеренции, что критически важно для реализации протоколов квантового считывания, передачи и коррекции ошибок.

1.1.3 Формирование комплексов NV-13C в алмазе

На данный момент существует несколько способов создания NV-центров, основными из которых являются:

• Имплантация ионов азота с последующим отжигом. Один из наиболее распространенных методов заключается в имплантации ионов азота

в алмаз. Этот метод включает несколько этапов: имплантацию ионов азота в алмазную матрицу с последующим отжигом для создания вакансий углерода и их захвата атомами азота. При этом вакансия перемещается к азоту, образуя NV-центр. Отжиг обычно проводится при температурах 800-1200°С, что способствует миграции вакансий углерода и образованию стабильных NV-центров [39-41].

• Рост алмаза с добавлением азота (СУБ метод). Этот метод предполагает создание NV-центров в процессе роста алмаза методом химического осаждения из газовой фазы (CVD). Образец может быть так же облучен электронами для генерации вакансий и отжигом для их миграции и захвата азотом. Контролируя концентрацию азота в плазме во время роста алмаза, можно добиться формирования NV-центров в нужной концентрации и на заданных глубинах [42].

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Салказанов Александр Тотразович, 2025 год

Список литературы

1. Федоров А. К. Квантовые технологии: от научных открытий к новым приложениям // PHOTONICS Russia. — 2019. — Т. 13. — С. 574-583. — DOI: 10.22184/1993-7296.FRos.2019.13.6.574.583.

2. Acin A., et al. The quantum technologies roadmap // New Journal of Physics. — 2018. — Т. 20. — № 8. — 080201.

3. Doherty M.W., Manson N.B., Delaney P., Jelezko F., Wrachtrup J., Hollenberg L.C.L. The nitrogen-vacancy colour centre in diamond // Physics Reports. - 2013. - Vol. 528, № 1. - P. 1-45. - DOI: 10.1016/j.physrep.2013.02.001.

4. Dobrovitski V.V., Fuchs G.D., Falk A.L., Santori C., Awschalom D.D. Quantum control over single spins in diamond // Annual Review of Condensed Matter Physics. - 2013. - Vol. 4, № 1. - P. 23-50. - DOI: 10.1146/annurev-conmatphys-030212-184238.

5. Neumann P., Wrachtrup J. Optical Engineering of Diamond / P. Neumann, J. Wrachtrup. - Weinheim, Germany: Wiley-VCH, 2013. - 277 p. - ISBN 978-3-52741102-6. - DOI: 10.1002/9783527648603.

6. Rondin L., Tetienne J.-P., Hingant T., Roch J.-F., Maletinsky P., Jacques V. Magnetometry with nitrogen-vacancy defects in diamond // Reports on Progress in Physics. - 2014. - Vol. 77, № 5. - P. 056503. - DOI: 10.1088/00344885/77/5/056503.

7. Schirhagl R., Chang K., Loretz M., Degen C.L. Nitrogen-Vacancy Centers in Diamond: Nanoscale Sensors for Physics and Biology // Annual Review of Physical Chemistry. - 2014. - Vol. 65. - P. 83-105. - DOI: 10.1146/annurev-physchem-040513-103659.

8. Wang P.F., Yuan Z.H., Huang P., Rong X., Wang M.Q., Xu X.K., Duan C.K., Ju C.Y., Shi F.Z., Du J.F. High-resolution vector microwave magnetometry based on solid-state spins in diamond // Nature Communications. - 2015. - Vol. 6. - Art. № 6631. - DOI: 10.1038/ncomms7631.

9. Xu N.Y., Jiang F.J., Tian Y., Ye J.F., Shi F.Z., Lv H.J., Wang Y., Wrachtrup J., Du J.F. Wavelet-based fast time-resolved magnetic sensing with electronic spins

124

in diamond // Physical Review B. — 2016. — Vol. 93, № 16. — Art. 161117(R). — DOI: 10.1103/PhysRevB.93.161117.

10. Degen C.L. Scanning magnetic field microscope with a diamond single-spin sensor // Applied Physics Letters. - 2008. - Vol. 92, № 24. - Art. 243111. - DOI: 10.1063/1.2943282.

11. Rao K.R.K., Suter D. Characterization of hyperfine interaction between nitrogen-vacancy centers and 13C nuclear spins in diamond // Physical Review B.

— 2016. — Vol. 94, № 6. — Art. 060101(R). — DOI: 10.1103/PhysRevB.94.060101.

12. Jiang F.J., Jiao Z., Huang Z.Y., Lv H.J. Estimation of vector static magnetic field by a nitrogen-vacancy center with a single first-shell 13C nuclear spin in diamond // Chinese Physics B. — 2018. — Vol. 27, № 5. — Art. 057601. — DOI: 10.1088/1674-1056/27/5/057601.

13. Jiang F.J., Ye J.F., Jiao Z., Jiang J., Ma K., Yan X.H., Lv H.J. Experimental investigation of vector static magnetic field detection using an NV center with a single first-shell 13C nuclear spin in diamond // Chinese Physics B. — 2018. — Vol. 27, No. 5. — Art. 057602. — DOI: 10.1088/1674-1056/27/5/057602.

14. Nizovtsev A.P., Kilin S.Ya., Pushkarchuk A.L., Pushkarchuk V.A., Kuten S.A., Zhikol O.A., Schmitt S., Unden T., Jelezko F. Non-flipping 13C spins near an NV center in diamond: hyperfine and spatial characteristics by density functional theory simulation of the C510[NV]H252 cluster // New Journal of Physics. — 2018.

— Vol. 20. — Art. 023022. — DOI: 10.1088/1367-2630/aaa725.

15. Udvarhelyi P., Shkolnikov V.O., Gali A., Burkard G., Palyi A. Spin-strain interaction in nitrogen-vacancy centers in diamond // Physical Review B. — 2018.

— Vol. 98, № 7. — Art. 075201. — DOI: 10.1103/PhysRevB.98.075201.

16. Nizovtsev A.P., Kilin S.Ya., Pushkarchuk A.L., Pushkarchuk V.A., Kuten S.A. Kramers degenerated spin systems "NV center + few proximal 13C nuclei" in diamond for single-spin magnetometry // Nonlinear Phenomena in Complex Systems. — 2011. — Vol. 14, № 3. — P. 319-328.

17. Nizovtsev A.P., Kilin S.Ya., Pushkarchuk A.L., Pushkarchuk V.A., Kuten S.A. Kramers-degenerated NV+113C spin systems in diamond: analytical description // Proceedings of SPIE. — 2012. — Vol. 8699. — Art. 86990T. — DOI: 10.1117/12.2019074.

18. Watanabe H., Shikata S. Superlattice structures from diamond // Diamond and Related Materials. — 2011. — Vol. 20, № 5-6. — P. 980-985. — DOI: 10.1016/j.diamond.2011.05.005.

19. Gruber A., Drabenstedt A., Tietz C., Fleury L., Wrachtrup J., von Borczyskowski C. Scanning confocal optical microscopy and magnetic resonance on single defect centers // Science. — 1997. — Vol. 276, № 5321. — P. 2012-2014. — DOI: 10.1126/science.276.5321.2012.

20. Balasubramanian G., Neumann P., Twitchen D., Markham M., Kolesov R., Mizuochi N., Isoya J., Achard J., Beck J., Tissler J., Jacques V., Hemmer P.R., Jelezko F., Wrachtrup J. Ultralong spin coherence time in isotopically engineered diamond // Nature Materials. — 2009. — Vol. 8, № 5. — P. 383-387. — DOI: 10.1038/nmat2420.

21. Zhang H., Belvin C., Li W., Wang J., Wainwright J., Berg R., Bridge J. Little bits of diamond: Optically detected magnetic resonance of nitrogen-vacancy centers // American Journal of Physics. — 2018. — T. 86. — № 3. — C. 163-172. — DOI: 10.1119/1.5018237.

22. Wrachtrup J., Kilin S.Y., Nizovtsev A.P. Quantum computation using the 13C nuclear spins near the single NV defect center in diamond // Optics and Spectroscopy. — 2001. — T. 91. — № 3. — C. 429-437. — DOI: 10.1134/1.1405224.

23. Loubser J.H.N., van Wyk J.A. Electron spin resonance in the study of diamond // Reports on Progress in Physics. — 1978. — Vol. 41, No. 8. — P. 12011248. — DOI: 10.1088/0034-4885/41/8/002.

24. Felton S., Edmonds A.M., Newton M.E., Martineau P.M., Fisher D., Twitchen D.J., Baker J.M. Hyperfine interaction in the ground state of the negatively charged

nitrogen vacancy center in diamond // Physical Review B. — 2009. — Vol. 79, No. 7. — Art. 075203. — DOI: 10.1103/PhysRevB.79.075203.

25. Shim J.H., Nowak B., Niemeyer I., Suter D. Characterization of hyperfine interaction between single electron and single nuclear spins in diamond assisted by quantum beat from the nuclear spin // Physical Review A. — 2013. — Vol. 87, No. 1. — Art. 012301. — DOI: 10.1103/PhysRevA.87.012301.

26. Smeltzer B., Childress L., Gali A. nC hyperfine interactions in the nitrogen -vacancy centre in diamond // New Journal of Physics. — 2011. — Vol. 13. — Art. 025021. — DOI: 10.1088/1367-2630/13/2/025021.

27. Dreau A., Maze J.R., Lesik M., Roch J.-F., Jacques V. High-resolution spectroscopy of single NV defects coupled with nearby nC nuclear spins in diamond // Physical Review B. — 2012. — Vol. 85, No. 13. — Art. 134107. — DOI: 10.1103/PhysRevB.85.134107.

28. Taminiau T.H., Wagenaar J.J.T., van der Sar T., Jelezko F., Dobrovitski V.V., Hanson R. Detection and control of individual nuclear spins using a weakly coupled electron spin // Physical Review Letters. — 2012. — Vol. 109, No. 13. — Art. 137602. — DOI: 10.1103/PhysRevLett.109.137602.

29. Naydenov B., Dolde F., Hall L.T., Shin C., Fedder H., Hollenberg L.C.L., Jelezko F., Wrachtrup J. Dynamical decoupling of a single electron spin at room temperature // Physical Review B. — 2011. — Vol. 83, No. 8. — Art. 081201(R). — DOI: 10.1103/PhysRevB.83.081201.

30. Van der Sar T., Wang Z.H., Blok M.S., Bernien H., Taminiau T.H., Toyli D.M., Lidar D.A., Awschalom D.D., Hanson R., Dobrovitski V.V. Decoherence-protected quantum gates for a hybrid solid-state spin register // Nature. — 2012. — Vol. 484, No. 7392. — P. 82-86. — DOI: 10.1038/nature10900.

31. Souza A.M., Alvarez G.A., Suter D. Robust dynamical decoupling // Philosophical Transactions of the Royal Society A: Mathematical, Physical and Engineering Sciences. — 2012. — Vol. 370, No. 1976. — P. 4748-4769. — DOI: 10.1098/rsta.2011.0355.

32. Dreau A., Jamonneau P., Gazzano O., Kosen S., Roch J.-F., Maze J.R., Jacques V. Probing the dynamics of a nuclear spin bath in diamond through time-resolved central spin magnetometry // Physical Review Letters. — 2014. — Vol. 113, No. 13. — Art. 137601. — DOI: 10.1103/PhysRevLett.113.137601.

33. Pushkarchuk V.A., Kilin S.Ya., Nizovtsev A.P., Pushkarchuk A.L., Borisenko V.E., von Borzyskowski C., Filonov A.B. Ab initio modeling of the electronic and spin properties of the [NV]~ centers in diamond nanocrystals // Optics and Spectroscopy. — 2005. — Vol. 99, No. 2. — P. 245-256. — DOI: 10.1134/1.2034611.

34. Pushkarchuk V.A., Kilin S.Ya., Nizovtsev A.P., Pushkarchuk A.L., Filonov A.B., Borisenko V.E. Modeling of atomic and electronic structure of diamond nanocrystals containing [NV]~ centers by the density functional method // Journal of Applied Spectroscopy. — 2007. — Vol. 74, No. 1. — P. 95-101. — DOI: 10.1007/s10812-007-0015-x.

35. Pushkarchuk V.A., Kilin S.Ya., Nizovtsev A.P., Borisenko V.E., Filonov A.B., Pushkarchuk A.L., Kuten S.A. Quantum-chemical modeling of structural, electronic, and spin characteristics of NV centers in nanostructured diamond: surface effect // Optics and Spectroscopy. — 2010. — Vol. 108, No. 2. — P. 247-253. — DOI: 10.1134/S0030400X10020141.

36. Nizovtsev A.P., Kilin S.Ya., Pushkarchuk V.A., Pushkarchuk A.L., Kuten S.A. Quantum registers based on single NV + n13C centers in diamond: I. The spin Hamiltonian method // Optics and Spectroscopy. — 2010. — T. 108, № 2. — C. 230-238. — DOI: 10.1134/s0030400x10020128.

37. Nizovtsev A.P., Kilin S.Ya., Pushkarchuk A.L., Pushkarchuk V.A., Kuten S.A. Spin-Hamiltonian analysis of quantum registers on single NV center and proximal 13C nuclei in diamond // Quantum Cryptography and Computing / Eds. R. Horodecki et al. — Amsterdam: IOS Press, 2010. — Vol. 26: NATO Science for Peace and Security Series D: Information and Communication Security. — P. 148157. — DOI: 10.3233/978-1-60750-547-1-148.

38. Gali A., Fyta M., Kaxiras E. Ab initio supercell calculations on nitrogen-vacancy center in diamond: Electronic structure and hyperfine tensors // Physical Review B. — 2008. — Vol. 77, No. 15. — Art. 155206. — DOI: 10.1103/PhysRevB.77.155206.

39. Meijer J., Burchard B., Domhan M., Wittmann C., Gaebel T., Popa I., Jelezko

F., Wrachtrup J. Generation of single color centers by focused nitrogen implantation // Applied Physics Letters. — 2005. — Vol. 87, No. 26. — Art. 261909. — DOI: 10.1063/1.2103389.

40. Rabeau J.R., Reichart P., Tamanyan G., Jamieson D.N., Prawer S., Jelezko F., Gaebel T., Popa I., Domhan M., Wrachtrup J. Implantation of labelled single nitrogen vacancy centers in diamond using i5N // Applied Physics Letters. — 2006.

— Vol. 88, No. 2. — Art. 023113. — P. 1-3. — DOI: 10.1063/1.2158700.

41. Naydenov B., Richter V., Beck J., Steiner M., Neumann P., Balasubramanian

G., Achard J., Jelezko F., Wrachtrup J., Kalish R. Enhanced generation of single optically active spins in diamond by ion implantation // Applied Physics Letters. — 2010. — Vol. 96, No. 16. — Art. 163108. — DOI: 10.1063/1.3409221.

42. Orwa J.O., Greentree A.D., Aharonovich I., Alves A.D.C., van Donkelaar J., Stacey A., Prawer S. Fabrication of single optical centres in diamond - a review // Journal of Luminescence. — 2010. — Vol. 130, No. 9. — P. 1646-1654. — DOI: 10.1016/j.jlumin.2009.12.028.

43. Aharonovich I., Neu E. Diamond nanophotonics // Advanced Optical Materials. — 2014. — Vol. 2, No. 10. — P. 911-928. — DOI: 10.1002/adom.201400189.

44. Zapata T., Bennett N., Struzhkin V., Fei Y., Jelezko F., Biskupek J., Kaiser U., Reuter R., Wrachtrup J., Ghannam F.A. Organic nanodiamonds // arXiv preprint.

— 2017. — arXiv:1702.06854 [cond-mat.mtrl-sci]. — URL: https://arxiv.org/abs/1702.06854.

45. Alkahtani M.H., Alghannam F., Jiang L., Almethen A., Rampersaud A.A., Brick R., Gomes C.L., Scully M.O., Hemmer P.R. Fluorescent nanodiamonds: Past,

present, and future // Nanophotonics. — 2018. — Vol. 7, No. 8. — P. 1423-1453. — DOI: 10.1515/nanoph-2017-0125.

46. Ekimov E.A., Kudryavtsev O.S., Mordvinova N.E., Lebedev O.I., Vlasov I.I. High-pressure synthesis of nanodiamond from adamantane: Myth or reality? // ChemNanoMat. — 2017. — Vol. 4, No. 4. — P. 269-273. — DOI: 10.1002/cnma.201800015.

47. Alkahtani M., Lang J., Naydenov B., Jelezko F., Hemmer P. Growth of high-purity low-strain fluorescent nanodiamonds // ACS Photonics. — 2019. — Vol. 6, No. 5. — P. 1266-1271. — DOI: 10.1021/acsphotonics.9b00224.

48. Taminiau T.H., Cramer J., van der Sar T., Dobrovitski V.V., Hanson R. Universal control and error correction in multi-qubit spin registers in diamond // Nature Nanotechnology. — 2014. — Vol. 9, No. 3. — P. 171-176. — DOI: 10.1038/nnano.2014.2.

49. Cramer J., Kalb N., Rol M.A., Hensen B., Blok M.S., Markham M., Twitchen D.J., Hanson R., Taminiau T.H. Repeated quantum error correction on a continuously encoded qubit by real-time feedback // Nature Communications. — 2016. — Vol. 7. — Art. 11526. — DOI: 10.1038/ncomms11526.

50. Dolde F., Jakobi I., Naydenov B., Zhao N., Pezzagna S., Trautmann C., Meijer J., Neumann P., Jelezko F., Wrachtrup J. Room-temperature entanglement between single defect spins in diamond // Nature Physics. — 2013. — Vol. 9, No. 3. — P. 139-143. — DOI: 10.1038/nphys2545.

51. Childress L., Hanson R. Diamond NV centers for quantum computing and quantum networks // MRS Bulletin. — 2013. — Vol. 38, No. 2. — P. 134-138. — DOI: 10.1557/mrs.2013.20.

52. Doherty M.W. Quantum accelerators: a new trajectory of quantum computers // Digitale Welt. — 2021. — Vol. 5, No. 2. — P. 74-79. — DOI: 10.1007/s42354-021-0342-8.

53. Maurer P.C., Kucsko G., Latta C., Jiang L., Yao N.Y., Bennett S.D., Pastawski F., Hunger D., Chisholm N., Markham M., Twitchen D.J., Cirac J.I., Lukin M.D. Room-temperature quantum bit memory exceeding one second //

130

Science. — 2012. — Vol. 336, No. 6086. — P. 1283-1286. — DOI: 10.1126/science. 1220513.

54. Jiang L., Hodges J.S., Maze J.R., Maurer P.C., Taylor J.M., Cory D.G., Hemmer P.R., Walsworth R.L., Yacoby A., Zibrov A.S., Lukin M.D. Repetitive readout of a single electronic spin via quantum logic with nuclear spin ancillae // Science. — 2009. — Vol. 326, No. 5950. — P. 267-272. — DOI: 10.1126/science. 1176496.

55. Yang S., Wang Y.-J., Li J., Wang X., Jiang L., Bao X.-H., Pan J.-W. High-fidelity transfer and storage of photon states in a single nuclear spin // Nature Photonics. — 2016. — Vol. 10, No. 8. — P. 507-511. — DOI: 10.1038/nphoton.2016.103.

56. Liu G., Pan X. Quantum information processing with nitrogen-vacancy centers in diamond // Chinese Physics B. — 2018. — Vol. 27, No. 2. — Art. 020304.

— DOI: 10.1088/1674-1056/27/2/020304.

57. Nizovtsev A.P., Kilin S.Y., Neumann P. et al. Quantum registers based on single NV + n 13C centers in diamond: II. Spin characteristics of registers and spectra of optically detected magnetic resonance // Optics and Spectroscopy. - 2010.

- Vol. 108. - P. 239-246. - DOI: 10.1134/S0030400X1002013X.

58. Chen Q., Schwarz I., Plenio M.B. Steady-state preparation of long-lived nuclear spin singlet pairs at room temperature // Physical Review B. — 2017. — Vol. 95, No. 22. — Art. 224105. — DOI: 10.1103/PhysRevB.95.224105.

59. Awschalom D.D., Hanson R., Wrachtrup J., Zhou B.B. Quantum technologies with optically interfaced solid-state spins // Nature Photonics. — 2018. — T. 12. — C. 516-527. — DOI: 10.1038/s41566-018-0232-2.

60. Unden T., Tomek N., Weggler T., Frank F., London P., Zopes J., Degen C.L., Raatz N., Meijer J., Watanabe H., Schmitt S., Pfaff W., Jamonneau P., Dreau A., Morton J.J.L., Naydenov B., Jelezko F. Coherent control of solid state nuclear spin nano-ensembles // npj Quantum Information. — 2018. — Vol. 4. — Art. 29. — DOI: 10.1038/s41534-018-0089-8.

61. Li H.-L., Li L., Xu D.-G. Separation of isotope nC using high-performance structured packing // Chemical Engineering and Processing: Process Intensification. — 2010. — Vol. 49, No. 3. — P. 255-261. — DOI: 10.1016/j.cep.2010.02.001.

62. Bundy F.P., Bassett W.A., Weathers M.S., Hemley R.J., Mao H.K., Goncharov A.F. Pressure-temperature phase and reaction diagram for carbon // Journal of Geophysical Research: Solid Earth. — 1996. — Vol. 101, No. B4. — P. 6930-6936. — DOI: 10.1029/96JB00162.

63. Bundy F.P. The P-T phase and reaction diagram for elemental carbon // Journal of Geophysical Research: Solid Earth. — 1980. — Vol. 85, No. B12. — P. 6930-6936. — DOI: 10.1029/JB085iB12p06930.

64. Sumiya H., Satoh S. High-pressure synthesis of large single-crystal diamond // Diamond and Related Materials. — 1996. — Vol. 5, No. 11. — P. 1359-1365. — DOI: 10.1016/S0925-9635(96)00540-8.

65. D'Haenens-Johansson U.F.S., Katrusha A., Moe K.S., Johnson P., Wong S.Y., Wang W. Large colorless HPHT-grown synthetic gem diamonds from New Diamond Technology, Russia // Gems & Gemology. — 2015. — Vol. 51, No. 3. — P. 260-279. — DOI: 10.5741/GEMS.51.3.260.

66. Kasu M. Diamond epitaxy: Basics and applications // Progress in Crystal Growth and Characterization of Materials. — 2016. — Vol. 62, No. 3. — P. 317328. — DOI: 10.1016/j.pcrysgrow.2016.04.017.

67. Sumiya H., Tamasaku K. Large defect-free synthetic Type IIa diamond crystals synthesized via high pressure and high temperature // Japanese Journal of Applied Physics. — 2012. — Vol. 51, No. 9. — Art. 090102. — DOI: 10.1143/JJAP.51.090102.

68. D'Haenens-Johansson U.F.S., Butler J.E., Katrusha A.N. Synthesis of Diamonds and Their Identification // Reviews in Mineralogy & Geochemistry. — 2022. — Vol. 88. — P. 689-754. — DOI: 10.2138/rmg.2022.88.13.

69. Itoh K. M. Isotope engineering of silicon and diamond for quantum computing and sensing / K. M. Itoh, H. Watanabe // MRS Communications. - 2014. - Vol. 4. -P. 143. - DOI: 10.1557/mrc.2014.32.

70. Teraji T. High-quality and high-purity homoepitaxial diamond (100) film growth under high oxygen concentration condition / T. Teraji // Journal of Applied Physics. - 2015. - Vol. 118. - Art. no. 084901. - P. [1-8]. - DOI: 10.1063/1.4929962.

71. Pawley J. B. (ed.). Handbook of Biological Confocal Microscopy. - 3rd ed. -Berlin: Springer, 2006. - 888 p. - ISBN 0-387-25921-X.

72. Minsky M. Microscopy apparatus: U.S. Patent 3013467A / M. Minsky; заявитель и патентообладатель не указаны. - 1961-12-19. - 15 с.

73. Fellers T. J. Introduction to Confocal Microscopy / T. J. Fellers, M. W. Davidson // Olympus Fluoview Resource Center. - National High Magnetic Field Laboratory, 2007. - URL: https://www.olympusconfocal.com

74. Kopachevsky V., Shashkov S., Gvozdev A. Confotec series Raman confocal microscopes - reliable equipment for scientific research and industry // Analitika. -2014. - No. 1(14). - P. 44-48.

75. Kurtsiefer C. Stable solid-state source of single photons / C. Kurtsiefer, S. Mayer [et al.] // Physical Review Letters. - 2000. - Vol. 85, No. 2. - P. 290-293. -DOI: 10.1103/PhysRevLett.85.290.

76. Brouri R. Photon antibunching in the fluorescence of individual color centres in diamond / R. Brouri, A. Beveratos [et al.] // Optics Letters. — 2000. — Vol. 25, No. 17. — P. 1294-1296. — DOI: 10.1364/OL.25.001294.

77. Beveratos A., Brouri R., Gacoin T., Poizat J.-P., Grangier P. Nonclassical radiation from diamond nanocrystals // Physical Review A. — 2001. — Vol. 64, No. 6. — P. 061802. — DOI: 10.1103/PhysRevA.64.061802.

78. Jelezko F. Single defect centres in diamond: A review // Phys. Status Solidi A. - 2006. - Vol. 203. - P. 3207-3225. - DOI: 10.1002/pssa.200671403.

79. Brown R.H., Twiss R.Q. A new type of interferometer for use in radio astronomy // Philos. Mag. - 1954. - Vol. 45, No. 366. - P. 663-682. - DOI: 10.1080/14786440708520475.

80. Jelezko F., Wrachtrup J. Read-out of single spins by optical spectroscopy // J. Phys.: Condens. Matter. - 2004. - Vol. 16, No. 30. - P. R1089-R1104. - DOI: 10.1088/0953-8984/16/30/r03.

81. Dreau A. et al. High-resolution spectroscopy of single NV defects coupled with nearby 13C nuclear spins in diamond // Phys. Rev. B. - 2012. - Vol. 85, No. 13. - P. 134107. - DOI: 10.1103/PhysRevB.85.134107.

82. Zhao N. et al. Sensing single remote nuclear spins // Nature Nanotechnology. - 2012. - Vol. 7, No. 10. - P. 657-662. - DOI: 10.1038/nnano.2012.152.

83. Kolkowitz S. et al. Sensing distant nuclear spins with a single electron spin // Phys. Rev. Lett. - 2012. - Vol. 109, No. 13. - P. 137601. - DOI: 10.1103/PhysRevLett.109.137601.

84. Sasaki K., Monnai Y., Saijo S., Fujita R., Watanabe H., Ishi-Hayase J., Itoh K.M., Abe E. Broadband, large-area microwave antenna for optically-detected magnetic resonance of nitrogen-vacancy centers in diamond // Applied Physics Letters. — 2023. — Vol. 122. — Art. № 194002.

85. Hadden J.P., Harrison J.P., Stanley-Clarke A.C., Marseglia L., Ho Y.-L.D., Patton B.R., O'Brien J.L., Rarity J.G. Strongly enhanced photon collection from diamond defect centers under microfabricated integrated solid immersion lenses // Applied Physics Letters. — 2010. — Vol. 97. — Art. № 241901. — 3 p. — DOI: 10.1063/1.3519847.

86. Roy S., Hu J., Momeen M.U. Novel e-SIL with embedded cone structure for the enhancement of photon collection efficiency from nitrogen-vacancy center in diamond // Optics Communications. — 2021. — Vol. 481. — Art. № 126532. — 9 p. — DOI: 10.1016/j.optcom.2020.126532.

87. Enkovich P.V., Brazhkin V.V., Lyapin S.G., Novikov A.P., Kanda H., Stishov S.M. Raman spectroscopy of isotopically pure (12C, 13C) and isotopically mixed (12.5C) diamond single crystals at ultrahigh pressures // Journal of Experimental and Theoretical Physics. — 2016. — Vol. 123, No. 3. — P. 443-451. — DOI: 10.1134/S1063776116070049.

88. Sedov V., Boldyrev K., Krivobok V., Nikolaev S., Bolshakov A., Khomich A.A., Khomich A.V., Krasilnikov A., Ralchenko V. SiV color centers in Si-doped isotopically enriched i2C and nC CVD diamonds // Physica Status Solidi A:

Applications and Materials Science. — 2017. — Vol. 214, Iss. 10. — Art. No. 1700198. — 7 p. — DOI: 10.1002/pssa.201700198.

89. Walters D. et al. Measurement of the molar fraction of 13C in diamond films using Raman and Rutherford scattering // Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. B. -2005. - Vol. 241. - P. 486-490. - DOI: 10.1016/j.nimb.2005.07.059.

90. Chen B., Hou X., Ge F., Zhang X., Ji Y., Li H.-J., Qian P., Wang Y., Xu N., Du J. Calibration-free vector magnetometry using nitrogen-vacancy center in diamond integrated with optical vortex beam // Nano Letters. — 2020. — Vol. 20, No. 11. — P. 8267-8272. — DOI: 10.1021/acs.nanolett.0c03377.

91. Evans P.R. Rotations and rotation matrices // Acta Crystallographica Section D: Biological Crystallography. — 2001. — Vol. D57. — P. 1355-1359. — DOI: 10.1107/S0907444901012410.

92. Zhu Y., Losero E., Galland C., Goblot V. Simulation of ODMR spectra from nitrogen-vacancy ensembles in diamond for electric field sensing // arXiv. — 2023.

— Art. № 2301.04106. — [24]. — DOI: 10.48550/arXiv.2301.04106.

93. Steinert S., Dolde F., Neumann P., Aird A., Naydenov B., Balasubramanian G., Jelezko F. High sensitivity magnetic imaging using an array of spins in diamond // Review of Scientific Instruments. — 2010. — Vol. 81, No. 4. — Art. № 043705.

— DOI: 10.1063/1.3385689.

94. Ye J.-F., Jiao Z., Ma K., Huang Z.-Y., Lv H.-J., Jiang F.-J. Reconstruction of vector static magnetic field by different axial NV centers using continuous wave optically detected magnetic resonance in diamond // Chinese Physics B. — 2019. — Vol. 28, No. 4. — Art. № 047601. — DOI: 10.1088/1674-1056/28/4/047601.

95. Glenn D.R., Fu R.R., Kehayias P., Le Sage D., Lima E.A., Weiss B.P., Walsworth R.L. Micrometer-scale magnetic imaging of geological samples using a quantum diamond microscope // Geochemistry, Geophysics, Geosystems. — 2017.

— Vol. 18, No. 8. — P. 3254-3267. — DOI: 10.1002/2017GC006946.

96. Rubinas O.R., Akimov A.V., [et al.] Interaction of nitrogen-vacancy centers in diamond with a dense ensemble of carbon-13 // AVS Quantum Science. — 2024.

— Vol. 6, No. 2. — Art. № 024401. — P. [указать диапазон страниц]. — DOI: 10.1116/5.0180456. — arXiv: 2310.06359 [quant-ph].

97. Biktagirov T.B., Smirnov A.N., Davydov V.Yu., Doherty M.W., Alkauskas A., Gibson B.C., Soltamov V.A. Strain broadening of the 1042-nm zero phonon line of the NV center in diamond: A promising spectroscopic tool for defect tomography // Physical Review B. — 2017. — Vol. 96, Iss. 7. — Art. № 075205. — 10 p. — DOI: 10.1103/PhysRevB.96.075205.

98. Jamonneau P. et al. Competition between electric and magnetic field noise in NV centers // Phys. Rev. B. - 2016. - Vol. 93. - Article ID 024305. - DOI: 10.1103/PhysRevB.93.024305.

99. Wojciechowski A.M. et al. Optical magnetometry based on nanodiamonds with nitrogen-vacancy color centers // Materials. - 2019. - Vol. 12, №2 18. - P. 2951.

- DOI: 10.3390/ma12182951.

100. Dreau A. et al. Avoiding power broadening in optically detected magnetic resonance of single NV defects for enhanced DC magnetic field sensitivity // Phys. Rev. B. - 2011. - Vol. 84. - Article ID 195204. - DOI: 10.1103/PhysRevB.84.195204.

101. Stepanov V., Cho F.H., Abeywardana C., Takahashi S. High-frequency and high-field optically detected magnetic resonance of nitrogen-vacancy centers in diamond // Applied Physics Letters. — 2015. — Vol. 106. — Art. № 063111. — 5 p. — DOI: 10.1063/1.4908528.