RU2775869C1 - Method for determining distance between nv defect and substitute nitrogen n in diamond crystal - Google Patents

Method for determining distance between nv defect and substitute nitrogen n in diamond crystal Download PDF

Info

Publication number
RU2775869C1
RU2775869C1 RU2021134108A RU2021134108A RU2775869C1 RU 2775869 C1 RU2775869 C1 RU 2775869C1 RU 2021134108 A RU2021134108 A RU 2021134108A RU 2021134108 A RU2021134108 A RU 2021134108A RU 2775869 C1 RU2775869 C1 RU 2775869C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
defect
substituting nitrogen
odmr
intensity
diamond crystal
Prior art date
Application number
RU2021134108A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Роман Андреевич Бабунц
Андрей Николаевич Анисимов
Валентина Владимировна Яковлева
Илья Дмитриевич Бреев
Анна Павловна Бундакова
Марина Викторовна Музафарова
Павел Георгиевич Баранов
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук filed Critical Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук
Application granted granted Critical
Publication of RU2775869C1 publication Critical patent/RU2775869C1/en

Links

Images

Abstract

FIELD: distance determination.
SUBSTANCE: invention is intended for determination of the distance between the NV defect and the substituting nitrogen N in a diamond crystal. The substance of the invention lies in the fact that a diamond crystal sample is exposed to focused laser radiation, which excites photoluminescence (PL) in the working volume of the sample, by which an optically detectable magnetic resonance (ODMR) signal is recorded, and a frequency-tunable radio-frequency electromagnetic field modulated by a low frequency, the PL intensity of the NV defect is measured in the working volume of the diamond crystal at different frequencies of the tunable radio frequency electromagnetic field, then, the ratio of the intensity of the ODMR side line caused by the interaction of the NV defect with the substituting nitrogen N in the diamond crystal to the intensity of the central line of the ODMR NV defect at different frequencies of the tunable radio frequency electromagnetic field is determined, and the distance between the NV defect and the substituting nitrogen N in the diamond crystal is determined using previously constructed calibration dependence of the distance between the NV defect and the substituting nitrogen N in the diamond crystal on the ratio of the intensity of the ODMR side line due to the interaction of the NV defect with the substituting nitrogen N in the diamond crystal, to the intensity of the central line of the ODMR of the NV defect, while to construct the above-mentioned calibration dependence, the intensity of the PL of the NV defect is measured in the working volume of control samples of a diamond crystal with a known concentration of substituting nitrogen N, for each control sample, the ratio of the intensity of the ODMR side line due to the interaction of the NV defect with substituting nitrogen N, to the intensity of the central line of the ODMR NV defect at different frequencies of the tunable radio frequency electromagnetic field, the first calibration curve of the ratio of the intensity of the ODMR side line due to the interaction of the NV defect with the substituting nitrogen N in the diamond crystal is taken, to the intensity of the central line of the ODMR NV defect on the concentration of the substituting nitrogen N and a calibration curve of the distance between the NV defect and the substituting nitrogen N is built in the diamond crystal on the ratio of the intensity of the side line of the ODMR, due to the interaction of the NV defect with the substituting nitrogen N in the diamond crystal, to the intensity of the central ODMR lines of the NV defect by converting the concentrations of the substituting nitrogen N into the distance between the NV defect and the substituting nitrogen N according to a certain ratio.
EFFECT: simplification of the method for determining the distance between the NV defect and the substituting nitrogen N in a diamond crystal.
7 cl, 7 dwg

Description

Изобретение относится к нанотехнологиям и может быть использовано в области разработки материалов на основе алмаза для магнитометрии, квантовой оптики, биомедицины, а также в информационных технологиях, основанных на квантовых свойствах спинов и одиночных фотонов.The invention relates to nanotechnology and can be used in the development of diamond-based materials for magnetometry, quantum optics, biomedicine, as well as in information technology based on the quantum properties of spins and single photons.

После открытия уникальных излучающих свойств NV дефектов в алмазе, позволяющих осуществлять оптическое детектирование магнитного резонанса (ОДМР) в основном состоянии NV центров при комнатной температуре, вплоть до регистрации магнитного резонанса на одиночных дефектах атомных размеров (см. A. Gruber, А. Drabenstedt, С. Tietz, L. Fleury, J. Wrachtrup, С. Von Borczyskowski. - Scanning Confocal Optical Microscopy and Magnetic Resonance on Single Defect Centers. - Science, v. 276, pp.-2012-2014, 1997; J. Wrachtrup, F. Jelezko, Processing quantum information in diamond. - J. Phys.: Condens. Matter, v. 18, S807, 2006), появилась возможность создания элементной базы для квантовых вычислений на основе NV дефектов в алмазе. NV центр, представляющий собой вакансию углерода (V), в ближайшей координационной сфере которой один из четырех атомов углерода заменен атомом азота (N), имеет основное триплетное спиновое состояние, населенности спиновых уровней которого селективно заселяются под действием оптического излучения.After the discovery of the unique radiating properties of NV defects in diamond, allowing optical detection of magnetic resonance (ODMR) in the ground state of NV centers at room temperature, up to the registration of magnetic resonance on single defects of atomic sizes (see A. Gruber, A. Drabenstedt, C Tietz, L. Fleury, J. Wrachtrup, C. Von Borczyskowski - Scanning Confocal Optical Microscopy and Magnetic Resonance on Single Defect Centers - Science, v. 276, pp.-2012-2014, 1997; (Jelezko, Processing quantum information in diamond. - J. Phys.: Condens Matter, v. 18, S807, 2006), it became possible to create an element base for quantum computing based on NV defects in diamond. The NV center, which is a carbon vacancy (V), in the nearest coordination sphere of which one of the four carbon atoms is replaced by a nitrogen atom (N), has a ground triplet spin state, the populations of spin levels of which are selectively populated under the action of optical radiation.

Для использования NV центров в квантовых операциях и сенсорике одним из основных параметров является время когерентности, определяемое как время спин-спиновой релаксации Т2. Это время в первую очередь зависит от расстояния между NV центром и ближайшей парамагнитной примесью в виде доноров замещающего азота N, для которого принято также обозначение Р1-центр. Роль избыточных спинов замещающего азота N на дефазировку NV-дефектов изучалась в ансамблевых и одноцентровых исследованиях, подтверждая, что Р1-центр может действовать как основной источник декогерентности [ТА Kennedy et al., Long coherence times at 300 K for nitrogen-vacancy center spins in diamond grown by chemical vapor deposition. Appl. Phys. Lett. 83, 4190-4192 (2003); R.J. Epstein et al., Anisotropic interactions of a single spin and dark-spin spectroscopy in diamond. Nature Phys. 1, 94-98 (2005); Barry J.F., et al., "Sensitivity optimization for NV-diamond magnetometry." Reviews of modern physics 92 (Mar. 2020): no. 015004 doi http://dx.doi.org/10.1103/RevModPhys.92.0150041. Таким образом, для достижения длительного времени когерентности концентрация замещающего азота N (Р1-центров) должна быть минимальной в алмазе с NV-дефектами. Имеются оценки, которые показывают, что до расстояния между NV и Р1-центром примерно 15 нм, основным источником декогерентности является Р1-центр, при больших расстояниях начинают играть роль магнитные моменты ядерных спинов изотопа углерода 13С (см. [Barry J.F., et al., "Sensitivity optimization for NV-diamond magnetometry." Reviews of modern physics 92 (Mar. 2020): no. 015004 doi http://dx.doi.org/10.1103/RevModPhys.92.015004]). В некоторых применениях, наоборот, связь между одним N и одним NV дефектом может использоваться в квантовых вычислениях в качестве долговременной памяти на спиновых состояниях замещающего азота [Т. Gaebel et al., Room-temperature coherent coupling of single spins in diamond, Nature physics VOL 2 p.408 (2006)]. Наличие больших времен спиновой когерентности для NV- и Р1-центров позволяет наблюдать когерентную связь между этими дефектами даже при значительных расстояниях между ними. При Т2 ~0.35 мс два электронных спина не должны быть разделены более чем на 15 нм, чтобы их сила взаимного взаимодействия была больше, чем связь с термостатом магнитных ядер изотопа 13С, содержание которого в природном алмазе составляет 1.1%. Создание пар с заданным расстоянием всего в несколько нанометров остается сложной задачей, которая пока не решена.To use NV centers in quantum operations and sensors, one of the main parameters is the coherence time, defined as the spin-spin relaxation time T 2 . This time primarily depends on the distance between the NV center and the nearest paramagnetic impurity in the form of donors of the substituting nitrogen N, for which the designation P1 center is also accepted. The role of excess spins of the substituting nitrogen N on the dephasing of NV defects has been studied in ensemble and single center studies, confirming that the P1 center can act as the main source of decoherence [TA Kennedy et al., Long coherence times at 300 K for nitrogen-vacancy center spins in diamond grown by chemical vapor deposition. Appl. Phys. Lett. 83, 4190-4192 (2003); RJ Epstein et al., Anisotropic interactions of a single spin and dark-spin spectroscopy in diamond. Nature Phys. 1, 94-98 (2005); Barry JF, et al., "Sensitivity optimization for NV-diamond magnetometry." Reviews of modern physics 92 (Mar. 2020): no. 015004 doi http://dx.doi.org/10.1103/RevModPhys.92.0150041. Thus, to achieve a long coherence time, the concentration of substituting nitrogen N (P1 centers) should be minimal in diamond with NV defects. There are estimates that show that up to a distance between the NV and P1 center of about 15 nm, the main source of decoherence is the P1 center; ., "Sensitivity optimization for NV-diamond magnetometry." Reviews of modern physics 92 (Mar. 2020): no. 015004 doi http://dx.doi.org/10.1103/RevModPhys.92.015004]). In some applications, on the contrary, the connection between one N and one NV defect can be used in quantum computing as a long-term memory on the spin states of the substitutive nitrogen [T. Gaebel et al., Room-temperature coherent coupling of single spins in diamond, Nature physics VOL 2 p.408 (2006)]. The presence of large spin coherence times for NV and P1 centers makes it possible to observe a coherent coupling between these defects even at considerable distances between them. At T 2 ~0.35 ms, two electron spins should not be separated by more than 15 nm so that their mutual interaction strength is greater than the bond with the thermostat of the magnetic nuclei of the 13 C isotope, whose content in natural diamond is 1.1%. Creating pairs with a given distance of just a few nanometers remains a difficult task that has not yet been solved.

Азот всегда присутствует в алмазе, более того, он входит в состав NV центра, то есть, необходим для образования последнего и не может быть полностью удален из алмаза. Когерентная связь между квантовыми объектами, включая взаимодействие с фотонами, является определяющей в квантовых вычислениях, а также, при осуществлении квантовой связи на больших расстояниях. Однако квантовые системы с сильной связью между собой или с фотонами взаимодействуют с окружающей средой, что приводит к потере когерентности (эффекту декогерентности). Особенно эти процессы происходят с квантовыми объектами в твердотельных матрицах. С другой стороны, твердые тела имеют преимущества для многих применений в связи с возможностью масштабирования нанообъектов. Фононы являются одним из главных источников декогерентности в твердотельных квантовых структурах, поэтому, как правило, сильная когерентная связь между оптически-активными квантовыми системами были выполнены при низких температурах. Исключением являются NV центры в алмазе. После открытия возможности оптически-индуцированной спиновой поляризации ансамблей и одиночных NV центров и считывания этих состояний с использованием конфокального микроскопа, был продемонстрирован ряд квантовых операций при комнатных температурах.Nitrogen is always present in diamond, moreover, it is a part of the NV center, that is, it is necessary for the formation of the latter and cannot be completely removed from the diamond. Coherent communication between quantum objects, including interaction with photons, is decisive in quantum computing, as well as in the implementation of quantum communication over long distances. However, quantum systems with strong coupling between themselves or with photons interact with the environment, which leads to a loss of coherence (decoherence effect). Especially these processes occur with quantum objects in solid-state matrices. On the other hand, solids have advantages for many applications due to the ability to scale nano-objects. Phonons are one of the main sources of decoherence in solid-state quantum structures, therefore, as a rule, strong coherent coupling between optically active quantum systems has been achieved at low temperatures. An exception is NV centers in diamond. After the discovery of the possibility of optically induced spin polarization of ensembles and single NV centers and the reading of these states using a confocal microscope, a number of quantum operations were demonstrated at room temperatures.

Типичные концентрации замещающего азота N и NV центров в алмазе и флюоресцентных наноалмазах, используемых в сенсорике и квантовых вычислениях, составляет от сотен ppm до долей ppm, при этом концентрация NV центров составляет менее 10% от концентрации замещающего азота N в одном и том же материале. В таких системах с разбавленными спинами среднее расстояние между NV центром и замещающим азотом N оценивается с использованием статистического распределения Пуассона по вероятности отсутствия соседнего центра внутри расстояния r от NV центра? равной 1/2 [см. М. J.R. Hoch, Е.С. Reynhardt, Phys. Rev. В 37, 9222-9226 (1988)]:Typical concentrations of substituting nitrogen N and NV centers in diamond and fluorescent nanodiamonds used in sensors and quantum computing range from hundreds of ppm to fractions of ppm, while the concentration of NV centers is less than 10% of the substitutive nitrogen concentration N in the same material. In such systems with dilute spins, the average distance between the NV center and the substituting nitrogen N is estimated using the statistical Poisson distribution of the probability of the absence of a neighboring center within the distance r from the NV center? equal to 1/2 [see M.J.R. Hoch, E.S. Reynhardt, Phys. Rev. B 37, 9222-9226 (1988)]:

Figure 00000001
Figure 00000001

где nC - концентрация соответствующих видов дефектов, см-3.where n C is the concentration of the corresponding types of defects, cm -3 .

Среднее расстояние R определяется тогда путем пересчета концентраций в расстояния по соотношению:The average distance R is then determined by converting the concentrations into distances according to the relation:

Figure 00000002
Figure 00000002

где R - расстояние между NV дефектом и замещающим азотом N, см.where R is the distance between the NV defect and the substituting nitrogen N, see

При этом соответствующее расстояние определяется концентрацией замещающего азота N, а концентрация NV центров вносит незначительную поправку в определяемое расстояние, менее 3%, что является важным, поскольку концентрация NV центров, используемых в качестве зонда для определения расстояния между замещающим азотом N и NV центром, не вносит значительную ошибку. Таким образом, для определения расстояния между NV центром и замещающим азотом N достаточно определить концентрацию только замещающего азота и затем по приведенной выше формуле (2) определить искомое расстояние.In this case, the corresponding distance is determined by the concentration of the substituting nitrogen N, and the concentration of NV centers introduces an insignificant correction to the determined distance, less than 3%, which is important, since the concentration of NV centers used as a probe to determine the distance between the substituting nitrogen N and the NV center does not introduces a significant error. Thus, to determine the distance between the NV center and the substituting nitrogen N, it is sufficient to determine the concentration of only the substituting nitrogen and then, using the above formula (2), determine the required distance.

Известен способ измерения концентрации носителей в материале с использованием ОДМР NV дефектов (см. патент CN109342548B, МПК G01N 27/72, опубликован 2020-10-27). Способ измерения содержит следующие этапы: размещение алмаза, содержащего центр окраски NV и образец для измерений, обеспечение расстояния между центром окраски NV в алмазе и носителями в исследуемом образце в соответствии со статистическим распределением центров окраски; измерение спиновой релаксации центра окраски NV в алмазе; получение концентрации носителя в измеряемом образце в соответствии с калибровочной кривой соотношения между скоростью спиновой релаксации в центре окраски NV в алмазе и концентрации носителя.A known method for measuring the concentration of carriers in a material using ODMR NV defects (see patent CN109342548B, IPC G01N 27/72, published 2020-10-27). The measurement method comprises the following steps: placing a diamond containing an NV color center and a measurement sample, providing a distance between the NV color center in the diamond and the carriers in the test sample in accordance with the statistical distribution of color centers; measurement of spin relaxation of the NV color center in diamond; obtaining the concentration of the carrier in the measured sample in accordance with the calibration curve of the ratio between the spin relaxation rate at the color center NV in diamond and the concentration of the carrier.

Недостатком известного способа является использование спиновой релаксации для измерения концентрации парамагнитных носителей, исходя из определенного расстояния между NV центром и парамагнитным объектом, но при этом этот объект однозначно не идентифицируется. Также способ требует наличие сложной измерительной системы, каждое измерение осуществляется путем длительного накопления сигналов.The disadvantage of the known method is the use of spin relaxation to measure the concentration of paramagnetic carriers, based on a certain distance between the NV center and the paramagnetic object, but this object is not uniquely identified. Also, the method requires a complex measuring system, each measurement is carried out by long-term accumulation of signals.

Известны сенсоры, детекторы, квантовые устройства и способы их реализации на основе NV дефектов (см. заявку WO 2012/152685, МПК С30В 29/04, опубликована 15-11-2012) в алмазе, выращенном CVD методом, в котором определяются области кристалла, в которых имеется по крайней мере один NV центр.Sensors, detectors, quantum devices and methods for their implementation based on NV defects are known (see application WO 2012/152685, IPC C30B 29/04, published 15-11-2012) in diamond grown by the CVD method, in which crystal regions are determined, in which there is at least one NV center.

Недостатком является то, что регистрация ОДМР NV дефектов в разных секторах выращенного кристалла алмаза не проводится экспресс-анализ концентрации замещающего азота N и, соответственно, определение когерентных свойств NV дефектов.The disadvantage is that the registration of ODMR NV defects in different sectors of the grown diamond crystal does not carry out an express analysis of the concentration of the substituting nitrogen N and, accordingly, the determination of the coherent properties of NV defects.

Известны способы и устройства измерения магнитных полей на основе NV дефектов в алмазе, включающие источник оптического возбуждения, источник радиочастотного возбуждения и оптические детекторы (см., например, патент US 9551763 B1, МПК G01R 33/032, опубликован 2017-01-24 и ссылки в нем), которые обеспечивают хорошую чувствительность при измерениях магнитного поля с субмикронным пространственным разрешением. При этом характеристики сенсоров магнитного поля зависят от концентрации замещающего азота N, поскольку основные способы измерения магнитного поля требуют высокую когерентность для спиновых свойств NV дефектов, при этом упомянутая когерентность в основном обусловлена концентрацией замещающего азота N, определяющая расстояние между NV дефектом и замещающим азотом N.Methods and devices for measuring magnetic fields based on NV defects in diamond are known, including an optical excitation source, an RF excitation source and optical detectors (see, for example, US patent 9551763 B1, IPC G01R 33/032, published 2017-01-24 and references in it), which provide good sensitivity for magnetic field measurements with submicron spatial resolution. In this case, the characteristics of the magnetic field sensors depend on the concentration of the substituting nitrogen N, since the main methods for measuring the magnetic field require high coherence for the spin properties of NV defects, while the mentioned coherence is mainly due to the concentration of the substituting nitrogen N, which determines the distance between the NV defect and the substituting nitrogen N.

Недостатком этих измерений является отсутствие возможности быстрого анализа характеристик NV дефектов, зависящих от расстояния между NV дефектом и замещающим азотом N, что непосредственно связано с определением концентрации замещающего азота N.The disadvantage of these measurements is the inability to quickly analyze the characteristics of NV defects, which depend on the distance between the NV defect and the substituting nitrogen N, which is directly related to determining the concentration of the substituting nitrogen N.

Известен способ определения времен спиновой когерентности NV дефектов, обусловленных взаимодействием с замещающим азотом N [Barry, John F., et al., "Sensitivity optimization for NV-diamond magnetometry." Reviews of modern physics 92 (Mar. 2020): no. 015004 doi http://dx.doi.org/10.1103/RevModPhys.92.015004; E. Bauch et al., Decoherence of ensembles of nitrogen-vacancy centers in diamond, Phys. Rev. В 102, 134210 (2020)]. Устройство для определения времен спиновой когерентности NV дефектов включает источник оптического возбуждения, источник радиочастотного возбуждения и оптические детекторы, при этом используется импульсный метод, электронное спиновое эхо и спад свободной индукции, для регистрации релаксации сигналов ОДМР NV дефектов; непосредственно приводятся формулы зависимости времени спин-спиновой релаксации Т2 от концентрации замещающего азота N в видеA method is known for determining the spin coherence times NV of defects due to interaction with a substituting nitrogen N [Barry, John F., et al., "Sensitivity optimization for NV-diamond magnetometry." Reviews of modern physics 92 (Mar. 2020): no. 015004 doi http://dx.doi.org/10.1103/RevModPhys.92.015004; E. Bauch et al., Decoherence of ensembles of nitrogen-vacancy centers in diamond, Phys. Rev. In 102, 134210 (2020)]. The device for determining the spin coherence times of NV defects includes an optical excitation source, an RF excitation source and optical detectors, using the pulse method, electron spin echo and free induction decay, to record the relaxation of ODMR signals of NV defects; the formulas for the dependence of the spin-spin relaxation time T 2 on the concentration of substituting nitrogen N are directly given in the form

Figure 00000003
Figure 00000003

где Т2 - время спин-спиновой релаксации (когерентности), мкс;where T 2 is the time of spin-spin relaxation (coherence), μs;

BNV-N×= 2п, - коэффициент, кГц/ppm (1 ppm - 1 атом примеси на миллион атомов кристалла алмаза);B NV-N ×= 2p, - coefficient, kHz/ppm (1 ppm - 1 impurity atom per million atoms of a diamond crystal);

CN = концентрация замещающего азота N, ppm.C N = replacement nitrogen concentration N, ppm.

Недостатком предложенного способа является использование импульсных методов регистрации ОДМР, требующих специальной сложной аппаратуры и длительных измерений с накоплением сигналов ОДМР NV дефектов. Также нет однозначного определения, что именно замещающий азот N воздействует на время когерентности NV дефектов, другие парамагнитные дефекты могут также оказывать воздействие на время когерентности NV дефектов.The disadvantage of the proposed method is the use of pulsed methods for recording ODMR, requiring special complex equipment and long-term measurements with the accumulation of ODMR signals of NV defects. Also, there is no unambiguous definition that it is the substituting nitrogen N that affects the coherence time of NV defects, other paramagnetic defects can also affect the coherence time of NV defects.

Известен способ определения расстояния между NV дефектом и замещающим азотом N в кристалле алмаза по расщеплению линии ОДМР (см. Т. Gaebel, М. Domhan, I. Рора, С. Wittmann, P. Neumann, F. Jelezko, J.R. Rabeau, N. Stavrias, A.D. Greentree, S. Prawer, J. Meijer, J. Twamley, P.R. Hemmer, J. Wrachtrup, Room-temperature coherent coupling of single spins in diamond, nature physics 2, 408 (2006)), совпадающий с заявляемым решением по наибольшему числу существенных признаков и принятый за прототип. Способ-прототип включает воздействие на образец кристалла алмаза сфокусированным лазерным излучением, возбуждающим в рабочем объеме образца фотолюминесценцию (ФЛ), по которой регистрируют сигнал оптически детектируемого магнитного резонанса (ОДМР) NV дефектов, и перестраиваемым по частоте радиочастотным электромагнитным полем, при этом используется импульсный метод, электронное спиновое эхо, для регистрации сигналов ОДМР NV дефектов; в упомянутых сигналах регистрируется расщепление линии. В способе-прототипе показано, что обменное взаимодействие между NV дефектом и ближайшим замещающим азотом N приводит к расщеплению сигнала ОДМР при регистрации ОДМР на одиночном NV дефекте с выбором одного ближайшего дефекта N. При этом необходимо приложение магнитного поля для регистрации указанного сигнала. Наблюдаемое расщепление сигнала ОДМР по формуле для обменного взаимодействия между двумя электронными магнитными моментами NV дефекта и замещающего азота N, которое обратно пропорционально кубу расстояния R, нм, между NV дефектом и замещающим азотом N, R-3, может быть пересчитано для определения расстояния R. Так, в прототипе было зарегистрировано расщепление 14 МГц, которое соответствует расстоянию между упомянутыми дефектами примерно 1.5 нм. Таким образом, определяя расщепление сигнала ОДМР можно найти соответствующее расстояние между NV дефектом и замещающим азотом N.There is a known method for determining the distance between an NV defect and a substituting nitrogen N in a diamond crystal by splitting the ODMR line (see T. Gaebel, M. Domhan, I. Rora, C. Wittmann, P. Neumann, F. Jelezko, JR Rabeau, N. Stavrias, AD Greentree, S. Prawer, J. Meijer, J. Twamley, PR Hemmer, J. Wrachtrup, Room-temperature coherent coupling of single spins in diamond, nature physics 2, 408 (2006)), coinciding with the claimed solution for the greatest number of essential features and taken as a prototype. The prototype method includes exposure to a diamond crystal sample with focused laser radiation, which excites photoluminescence (PL) in the working volume of the sample, by which the signal of optically detected magnetic resonance (ODMR) NV defects is recorded, and a frequency-tunable radio-frequency electromagnetic field, using the pulsed method , electronic spin echo, for registration of ODMR signals of NV defects; line splitting is registered in the mentioned signals. The prototype method shows that the exchange interaction between the NV defect and the nearest substituting nitrogen N leads to splitting of the ODMR signal when registering ODMR on a single NV defect with the selection of one nearest defect N. This requires the application of a magnetic field to register the specified signal. The observed splitting of the ODMR signal according to the formula for the exchange interaction between the two electron magnetic moments NV of the defect and the substituting nitrogen N, which is inversely proportional to the cube of the distance R, nm, between the NV defect and the substituting nitrogen N, R -3 , can be recalculated to determine the distance R. So, in the prototype, a splitting of 14 MHz was registered, which corresponds to a distance between the mentioned defects of about 1.5 nm. Thus, by determining the splitting of the ODMR signal, one can find the corresponding distance between the NV defect and the substituting nitrogen N.

Недостатком способа является необходимость выделять одиночные NV-дефекты, что требует сложной высокочувствительной аппаратуры, работающей в импульсном режиме, и длительного времени накопления сигнала, также необходимо прикладывать магнитное поле. Способ применим только для близких расстояний между NV дефектом и ближайшим замещающим азотом N, то есть в сильно связанных парах NV-N. При статистическом распределении замещающего азота N имеется большое количество пар с разными расстояниями между NV дефектом и замещающим азотом N, что приводит к уширению линии ОДМР при высоких концентрациях азота, а для малых концентраций, соответствующих большим расстояниям между упомянутыми дефектами, вообще не проявляется, так как это расщепление меньше ширины линии ОДМР. Таким образом, найти наиболее вероятное расстояние между этими дефектами не представляется возможным. Также в способе прототипе нет однозначной идентификации замещающего азота N по сверхтонкому взаимодействию, то есть теоретически любой парамагнитный дефект может привести к наблюдаемому расщеплению.The disadvantage of this method is the need to isolate single NV defects, which requires complex highly sensitive equipment operating in a pulsed mode, and a long signal accumulation time, it is also necessary to apply a magnetic field. The method is applicable only for close distances between the NV defect and the nearest substituting nitrogen N, that is, in strongly bound NV-N pairs. With a statistical distribution of the substituting nitrogen N, there are a large number of pairs with different distances between the NV defect and the substituting nitrogen N, which leads to broadening of the ODMR line at high nitrogen concentrations, and for low concentrations corresponding to large distances between the mentioned defects, it does not appear at all, since this splitting is less than the width of the ODMR line. Thus, it is not possible to find the most probable distance between these defects. Also, in the prototype method, there is no unambiguous identification of the substituting nitrogen N by hyperfine interaction, that is, theoretically, any paramagnetic defect can lead to the observed splitting.

Дефекты NV и Р1 распределены в решетке алмаза случайным образом и существует множество различных пар с большим разбросом межцентровых расстояний R и углов между осями симметрии NV и Р1 центров, которые для каждого центра совпадают с одним из четырех кристаллических направлений <111>. Энергия диполь-дипольного взаимодействия, МГц, между двумя электронами со спинами S1 и S2, которые относятся соответственно NV (S1=1) и P1 (S1=1/2) центрам, описывается спиновым гамильтонианом HDD (см. Magnetic Resonance of Semiconductors and Their Nanostructures: Basic and Advanced Applications: P.G. Baranov, H.-J. von Bardeleben, F. Jelezko, J. Wrachtrup, Springer Series in Materials Science, Volume 253, Springer-Verlag GmbH Austria 2017)Defects NV and P1 are randomly distributed in the diamond lattice and there are many different pairs with a large spread of intercenter distances R and angles between the symmetry axes of NV and P1 centers, which for each center coincide with one of the four crystal directions <111>. The energy of the dipole-dipole interaction, MHz, between two electrons with spins S 1 and S 2 , which are related respectively to NV (S 1 =1) and P1 (S 1 =1/2) centers, is described by the spin Hamiltonian H DD (see Magnetic Resonance of Semiconductors and Their Nanostructures: Basic and Advanced Applications: PG Baranov, H.-J. von Bardeleben, F. Jelezko, J. Wrachtrup, Springer Series in Materials Science, Volume 253, Springer-Verlag GmbH Austria 2017)

Figure 00000004
Figure 00000004

где γ1 и γ2 - гиромагнитные отношения для электронов первого и второго центров, соответственно, которые для рассматриваемых центров практически совпадают, то есть γ1≈γ2=γ=28, МГц/мТл.where γ 1 and γ 2 are the gyromagnetic ratios for the electrons of the first and second centers, respectively, which practically coincide for the centers under consideration, that is, γ 1 ≈γ 2 =γ=28, MHz/mT.

Таким образом, существует почти непрерывное распределение расщеплений триплет (NV) - дублет (Р1) пар, вызванное диполь-дипольными взаимодействиями, которые не разрешаются в спектре ОДМР, но вносят вклад в неоднородное уширение линий ОДМР. В результате в образцах с большей концентрацией примеси азота, Р1 центров, обнаруживается большая ширина линии ОДМР. В сильных магнитных полях триплетная и дублетная спиновые системы разъединяются в результате их зеемановского взаимодействия с магнитным полем, и вклад магнитных диполь-дипольных взаимодействий в неоднородное уширение линий уменьшается, что приводит к существенным уменьшениям ширины линии сигнала ОДМР.Thus, there is an almost continuous distribution of splittings of triplet (NV) - doublet (P1) pairs, caused by dipole-dipole interactions, which are not resolved in the ODMR spectrum, but contribute to the inhomogeneous broadening of ODMR lines. As a result, in samples with a higher concentration of nitrogen impurity, P1 centers, a large width of the ODMR line is found. In strong magnetic fields, the triplet and doublet spin systems are separated as a result of their Zeeman interaction with the magnetic field, and the contribution of magnetic dipole–dipole interactions to the inhomogeneous line broadening decreases, which leads to a significant decrease in the linewidth of the ODMR signal.

Задачей настоящего изобретения является упрощение способа определения расстояния между NV дефектом и замещающим азотом N (Р1-центром) в кристалле алмаза или нанокристаллах алмаза при комнатной температуре и в отсутствие внешнего магнитного поля, который бы обеспечивал однозначное измерение взаимодействия NV дефекта именно с замещающим азотом N.The objective of the present invention is to simplify the method for determining the distance between the NV defect and the substituting nitrogen N (P1 center) in a diamond crystal or diamond nanocrystals at room temperature and in the absence of an external magnetic field, which would provide an unambiguous measurement of the interaction of the NV defect with the substituting nitrogen N.

Поставленная задача решается тем, что способ включает воздействие на образец кристалла алмаза сфокусированным лазерным излучением, возбуждающим в рабочем объеме образца фотолюминесценцию (ФЛ), по которой регистрируют сигнал оптически детектируемого магнитного резонанса (ОДМР), и перестраиваемым по частоте радиочастотным электромагнитным полем, модулированным низкой частотой, измерение интенсивности ФЛ NV дефекта в рабочем объеме кристалла алмаза при различной частоте перестраиваемого радиочастотного электромагнитного поля, определение отношения интенсивности боковой линии ОДМР, обусловленной взаимодействием NV дефекта с замещающим азотом N в кристалле алмаза, к интенсивности центральной линии ОДМР NV дефекта при различной частоте перестраиваемого радиочастотного электромагнитного поля и определение расстояние между NV дефектом и замещающим азотом N в кристалле алмаза с использованием ранее построенной градуировочной зависимости расстояния между NV дефектом и замещающим азотом N в кристалле алмаза от отношения интенсивности боковой линии ОДМР, обусловленной взаимодействием NV дефекта с замещающим азотом N в кристалле алмаза, к интенсивности центральной линии ОДМР NV дефекта, при этом для построения вышеупомянутой градуировочной зависимости измеряют интенсивность ФЛ NV дефекта в рабочем объеме контрольных образцов кристалла алмаза с известной концентрацией замещающего азота N, для каждого контрольного образца определяют отношение интенсивности боковой линии ОДМР, обусловленной взаимодействием NV дефекта с замещающим азотом N, к интенсивности центральной линии ОДМР NV дефекта при различной частоте перестраиваемого радиочастотного электромагнитного поля, снимают первую градуировочную кривую зависимости отношения интенсивности боковой линии ОДМР, обусловленной взаимодействием NV дефекта с замещающим азотом N в кристалле алмаза, к интенсивности центральной линии ОДМР NV дефекта от концентрации замещающего азота N и строят градуировочную кривую зависимости расстояния между NV дефектом и замещающим азотом N в кристалле алмаза от отношения интенсивности боковой линии ОДМР, обусловленной взаимодействием NV дефекта с замещающим азотом N в кристалле алмаза, к интенсивности центральной линии ОДМР NV дефекта путем пересчета концентраций замещающего азота N в расстояния между NV дефектом и замещающим азотом N по соотношению:The problem is solved by the fact that the method includes exposing a diamond crystal sample to focused laser radiation, which excites photoluminescence (PL) in the working volume of the sample, by which the optically detectable magnetic resonance (ODMR) signal is recorded, and a frequency-tunable radio-frequency electromagnetic field modulated by a low frequency , measurement of the PL intensity of the NV defect in the working volume of the diamond crystal at different frequencies of the tunable radio frequency electromagnetic field, determination of the ratio of the intensity of the ODMR side line due to the interaction of the NV defect with the substituting nitrogen N in the diamond crystal to the intensity of the central line of the ODMR of the NV defect at different frequencies of the tunable radio frequency electromagnetic field and determining the distance between the NV defect and the substituting nitrogen N in the diamond crystal using the previously constructed calibration dependence of the distance between the NV defect and the substituting nitrogen N in the crystal of the diamond alle on the ratio of the intensity of the ODMR side line, caused by the interaction of the NV defect with the substituting nitrogen N in the diamond crystal, to the intensity of the central line of the ODMR NV defect, while to build the above calibration dependence, the PL intensity of the NV defect is measured in the working volume of control samples of the diamond crystal with a known the concentration of the substituting nitrogen N, for each control sample, the ratio of the intensity of the ODMR side line due to the interaction of the NV defect with the substituting nitrogen N is determined to the intensity of the central line of the ODMR NV defect at different frequencies of the tunable radio frequency electromagnetic field, the first calibration curve of the ratio of the intensity ratio of the ODMR side line is taken , due to the interaction of the NV defect with the substituting nitrogen N in the diamond crystal, to the intensity of the central line of the ODMR of the NV defect on the concentration of the substituting nitrogen N and construct a calibration curve for the dependence of the distance between NV defect and substituting nitrogen N in a diamond crystal from the ratio of the intensity of the ODMR side line due to the interaction of the NV defect with substituting nitrogen N in a diamond crystal to the intensity of the central line of the ODMR NV defect by converting the concentrations of substituting nitrogen N into the distance between the NV defect and substituting nitrogen N according to the ratio:

Figure 00000005
Figure 00000005

где R - расстояние между NV дефектом и замещающим азотом N, см,where R is the distance between the NV defect and the substituting nitrogen N, cm,

nC - концентрация замещающего азота N, см-3.n C - concentration of substituting nitrogen N, cm -3 .

Возбуждение фотолюминесценции в рабочем объеме образца кристалла алмаза сфокусированным лазерным излучением может осуществляться с использованием конфокальной оптики. Использование конфокального микроскопа, позволяющего сканировать сфокусированным лазерным лучом по образцу в трех измерениях, дает возможность создавать карту пространственного распределения расстояний между NV дефектом и замещающим азотом N в выделенных сфокусированным лазерным излучением объемах кристалла.Excitation of photoluminescence in the working volume of a diamond crystal sample by focused laser radiation can be carried out using confocal optics. The use of a confocal microscope, which makes it possible to scan a sample with a focused laser beam in three dimensions, makes it possible to create a map of the spatial distribution of the distances between the NV defect and the substituting nitrogen N in the crystal volumes isolated by focused laser radiation.

В качестве образца кристалла алмаза могут использовать массив нанокристаллов алмаза.An array of diamond nanocrystals can be used as a diamond crystal sample.

Могут измерять интенсивность ФЛ одиночного NV дефекта в рабочем объеме кристалла алмаза при различной частоте перестраиваемого радиочастотного электромагнитного поля.They can measure the PL intensity of a single NV defect in the working volume of a diamond crystal at different frequencies of a tunable radio frequency electromagnetic field.

Образец кристалла алмаза могут помещать в воду или в любую другую прозрачную в видимом оптическом диапазоне жидкость, включая биологические материалы, с показателем преломления в видимом диапазоне меньшим, чем в алмазе. Это увеличивает контрастности сигнала ОДМР NV дефекта и боковых линий, обусловленных взаимодействием NV дефекта с замещающим азотом N.A sample of a diamond crystal can be placed in water or any other liquid transparent in the visible optical range, including biological materials, with a refractive index in the visible range lower than in diamond. This increases the contrast of the ODMR signal of the NV defect and side lines due to the interaction of the NV defect with the substituting nitrogen N.

В кристалле алмаза могут определять концентрацию замещающего азота N с использованием найденного расстояния между NV дефектом и замещающим азотом N по соотношению:In a diamond crystal, the concentration of substituting nitrogen N can be determined using the found distance between the NV defect and substituting nitrogen N according to the relation:

Figure 00000006
Figure 00000006

где nC - концентрация замещающего азота N, см-3;where n C is the concentration of the substituting nitrogen N, cm -3 ;

R - расстояние между NV дефектом и замещающим азотом N, см.R is the distance between the NV defect and the substituting nitrogen N, see

В кристалле алмаза могут определять время когерентности Т2, обусловленное замещающим азотом N с использованием найденной концентрации замещающего азота по формуле:In a diamond crystal, the coherence time T 2 due to the substituting nitrogen N can be determined using the found substituting nitrogen concentration according to the formula:

Figure 00000007
Figure 00000007

где Т2 - время когерентности, мкс;where T 2 - coherence time, μs;

BNV-N×= 2п, - коэффициент, кГц/ppm;B NV-N ×= 2p, - coefficient, kHz/ppm;

CN - концентрация замещающего азота N, ppm, которая пересчитывается по соотношению:C N - concentration of substituting nitrogen N, ppm, which is recalculated according to the ratio:

Figure 00000008
Figure 00000008

где nC, см-3; CN, ppm.where n C , cm -3 ; C N , ppm.

Нами ранее впервые было показано (см. P.G. Baranov, A.A. Soltamova, D.О. Tolmachev, N.G. Romanov, R.A. Babunts, F.M. Shakhov, S.V. Kidalov, A.Y. Vul, G.V. Mamin, S.B. Orlinskii et al., Small 7, 1533 (2011); R. Babunts, A. Soltamova, D. Tolmachev, V. Soltamov, A. Gurin, A. Anisimov, V. Preobrazhenskii, and P. Baranov, JETP Lett. 95, 429 (2012)), что в кристалле и нанокристаллах алмаза, содержащих NV дефекты, при комнатной температуре и выше комнатной в нулевом магнитном поле наряду с центральной линией (ЦЛ) ОДМР NV дефектов наблюдаются боковые линии (БЛ), которые ранее регистрировались только при сверхнизкой температуре 1.4 К (см. Е. Vanoort, Р. Stroomer, М. Glasbeek, Phys. Rev. В 42, 8605-8608 (1990)). Эти боковые линии обусловлены диполь-дипольным взаимодействием между NV дефектом и замещающим азотом N. Отметим, что центры замещающего азота N в отличие от NV дефектов, не являются оптически активными, так называемые «темные центры», однако взаимодействие их с NV дефектами позволяет это взаимодействие конвертировать в оптический сигнал.We have previously shown for the first time (see P.G. Baranov, A.A. Soltamova, D.O. Tolmachev, N.G. Romanov, R.A. Babunts, F.M. Shakhov, S.V. Kidalov, A.Y. Vul, G.V. Mamin, S.B. Orlinskii et al., Small 7, 1533 (2011) ); R. Babunts, A. Soltamova, D. Tolmachev, V. Soltamov, A. Gurin, A. Anisimov, V. Preobrazhenskii, and P. Baranov, JETP Lett. 95, 429 (2012)), that in the crystal and In diamond nanocrystals containing NV defects, at room temperature and above room temperature in a zero magnetic field, side lines (BL) are observed along with the central line (CL) of ODMR NV defects, which were previously recorded only at an ultralow temperature of 1.4 K (see E. Vanoort, P. Stroomer, M. Glasbeek, Phys. Rev. B 42, 8605-8608 (1990)). These side lines are due to the dipole-dipole interaction between the NV defect and the substituting nitrogen N. Note that the centers of the substituting nitrogen N, unlike NV defects, are not optically active, the so-called “dark centers”, however, their interaction with NV defects allows this interaction convert to optical signal.

Упрощенный спиновый гамильтониан, описывающий систему связанных диполь-дипольным взаимодействием NV и N дефектов в нулевом магнитном поле, состоит из трех частей (без учета квадрупольного взаимодействия и сверхтонкого взаимодействия в NV дефекте).The simplified spin Hamiltonian describing the system of NV and N defects coupled by dipole–dipole interaction in a zero magnetic field consists of three parts (ignoring the quadrupole interaction and the hyperfine interaction in the NV defect).

Спиновый гамильтониан для NV дефекта:Spin Hamiltonian for the NV defect:

Figure 00000009
Figure 00000009

где спин S1=1, безразмерная величина, S1Z, S1X и S1Y - проекции спина S1 на координатные оси Z, X и Y, соответственно; параметры D=2870, МГц, и Е (принимает значения примерно в диапазоне 0 - 20, МГц, в зависимости от напряжений в образце алмаза), описывают аксиальную и не аксиальную части тонкой структуры, соответственно. Спиновый гамильтониан для замещающего азота N (Р1-центра):where spin S 1 =1, dimensionless value, S 1Z , S 1X and S 1Y - projections of spin S 1 onto coordinate axes Z, X and Y, respectively; parameters D=2870, MHz, and E (takes values approximately in the range of 0 - 20, MHz, depending on the stresses in the diamond sample), describe the axial and non-axial parts of the fine structure, respectively. The spin Hamiltonian for the substituting nitrogen N (P1 center):

Figure 00000010
Figure 00000010

где спин S2=1/2, безразмерная величина, А=138, МГц, усредненное расщепление энергетических уровней в нулевом магнитном поле, обусловленное анизотропным сверхтонким взаимодействием электронного и ядерного спинов; IN - ядерный спин азота, IN=1 для основного изотопа азота 14N (99.63%), безразмерная величина.where spin S 2 =1/2, dimensionless value, A=138, MHz, the average splitting of energy levels in a zero magnetic field, due to the anisotropic hyperfine interaction of electronic and nuclear spins; I N - nuclear spin of nitrogen, I N =1 for the main nitrogen isotope 14 N (99.63%), dimensionless value.

Спиновый гамильтониан для усредненного диполь-дипольного взаимодействия NV и N дефектов:Spin Hamiltonian for the averaged dipole-dipole interaction of NV and N defects:

Figure 00000011
Figure 00000011

где S1=1, S2=1/2, безразмерные величины; скалярная величина J соответствует усредненному диполь-дипольному взаимодействию между электронным магнитным моментом NV дефекта и электронным магнитным моментом замещающего азота N, МГц; упомянутое взаимодействие описывается формулой 7 для определенного расстояния и определенных взаимных углов между осями NV и N дефектов; величина диполь-дипольного взаимодействия убывает как R-3, где R - расстояние между NV дефектом и замещающим азотом N, нм.where S 1 =1, S 2 =1/2, dimensionless quantities; the scalar value J corresponds to the averaged dipole-dipole interaction between the electronic magnetic moment NV of the defect and the electronic magnetic moment of the substituting nitrogen N, MHz; said interaction is described by formula 7 for a certain distance and certain mutual angles between the NV and N defect axes; the magnitude of the dipole-dipole interaction decreases as R -3 , where R is the distance between the NV defect and the substituting nitrogen N, nm.

Расстояние между боковыми линиями, МГц, в спектрах ОДМР N-V-центра в нулевом магнитном поле определяются сверхтонким взаимодействиями в Р1-центре, сверхтонкое расщепление А, МГц, связанное с N-V-центром диполь-дипольным взаимодействием между NV и N дефектами. Упомянутое сверхтонкие расщепление влияет на сигналы ОДМР NV-центра. В результате, появляются боковые линии на частотах |D|±1/2А (в первом приближении), а также при повышенных мощностях радиочастотного поля начинают преобладать дополнительные боковые линии на частотах |D|±А.The distance between the side lines, MHz, in the ODMR spectra of the N–V center in zero magnetic field is determined by hyperfine interactions in the P1 center, the hyperfine splitting A, MHz, associated with the N–V center by the dipole–dipole interaction between the NV and N defects. This hyperfine splitting affects the ODMR signals of the NV center. As a result, side lines appear at frequencies |D|±1/2A (in the first approximation), and also with increased powers of the radio-frequency field, additional side lines at frequencies |D|±A begin to predominate.

При больших микроволновых мощностях, при которых появляются боковые линии на двойных расстояниях от центральной линии, относительные интенсивности этих боковых линий к центральной линии также могут быть использованы для определения расстояния между NV дефектом и замещающим азотом N, но такие измерения требуют контроля мощности и обязательного использования перед измерениями реперных образцов, так как интенсивность боковых линий чувствительна к величине микроволновой мощности.At high microwave powers, at which side lines appear at twice the distance from the center line, the relative intensities of these side lines to the center line can also be used to determine the distance between the NV defect and the substituting nitrogen N, but such measurements require power control and mandatory use before measurements of reference samples, since the intensity of the side lines is sensitive to the magnitude of the microwave power.

Преимуществами настоящего способа является однозначное измерение взаимодействия NV дефекта именно с замещающим азотом N, исключающее влияние других возможных парамагнитных примесей, простота и короткое время измерений при комнатных температурах и в нулевом магнитном поле, защищенность измерений от температурных колебаний и воздействия внешних условий, отсутствие заметного воздействия структурных характеристик алмаза.The advantages of this method are the unambiguous measurement of the interaction of the NV defect with the substituting nitrogen N, which excludes the influence of other possible paramagnetic impurities, the simplicity and short measurement time at room temperatures and in zero magnetic field, the protection of measurements from temperature fluctuations and the effects of external conditions, the absence of a noticeable effect of structural characteristics of a diamond.

Заявляемое техническое решение поясняется чертежами, гдеThe proposed technical solution is illustrated by drawings, where

на фиг. 1 показана структура NV дефекта 1 и замещающего азота 2 N, где NV дефект 1 состоит из азота и вакансии в соседнем узле решетки, аксиальные ориентации NV и N дефектов совпадают с одним из четырех направлений <111> кристалла; R - условно показанное расстояние между NV дефектом и замещающим азотом N; условно показаны две из шестнадцати возможных ориентации упомянутых дефектов;in fig. 1 shows the structure of NV defect 1 and substituting nitrogen 2 N, where NV defect 1 consists of nitrogen and a vacancy at an adjacent lattice site, the axial orientations of NV and N defects coincide with one of the four <111> directions of the crystal; R is the conventionally shown distance between the NV defect and the substituting nitrogen N; conventionally two of the sixteen possible orientations of the mentioned defects are shown;

на Фиг. 2 представлены сигналы ОДМР NV дефектов в алмазе, зарегистрированные при комнатной температуре в нулевом магнитном поле в серии реперных образцов, слева приведены соотношения интенсивности боковой линии ОДМР, обусловленной взаимодействием NV дефекта 1 с замещающим азотом N 2 в кристалле алмаза, к интенсивности центральной линии ОДМР NV дефекта 1 I(БЛ)/I(ЦЛ); спектр (кривая 3) соответствует концентрации замещающего азота N равной ~300 ppm, R=1.5 нм; (кривая 4) ~250 ppm, 1.6 нм; (кривая 5) ~150 ppm, 1.9 нм; (кривая 6) ~100 ppm, 2.1 нм; (кривая 7) ~50 ppm, 2.7 нм; (кривая 8) ~1 ppm, ~10 нм; образцы (кривая 3) - (кривая 6) и (кривая 8) - искусственно выращенные алмазы, (кривая 7) - природный алмаз.in FIG. Figure 2 shows the ODMR signals of NV defects in diamond recorded at room temperature in a zero magnetic field in a series of reference samples; on the left, the ratios of the intensity of the ODMR side line due to the interaction of the NV defect 1 with the substituting nitrogen N 2 in a diamond crystal to the intensity of the central ODMR line NV are shown. defect 1 I(BL)/I(CL); the spectrum (curve 3) corresponds to the concentration of the substituting nitrogen N equal to ~300 ppm, R=1.5 nm; (curve 4) ~250 ppm, 1.6 nm; (curve 5) ~150 ppm, 1.9 nm; (curve 6) ~100 ppm, 2.1 nm; (curve 7) ~50 ppm, 2.7 nm; (curve 8) ~1 ppm, ~10 nm; samples (curve 3) - (curve 6) and (curve 8) - artificially grown diamonds, (curve 7) - natural diamond.

на Фиг. 3 показана зависимость отношения интенсивностей сигналов ОДМР боковой линии к центральной линии I(БЛ)/I(ЦЛ) от расстояния между NV дефектом и N, оцененного по концентрации замещающего азота N в реперных образцах; пунктиром показана рассчитанная зависимость в соответствие с экспериментальными точками в виде кривой Y=0.5/(R3), которая отражает диполь-дипольное взаимодействие между NV дефектом и N;in FIG. Figure 3 shows the dependence of the ratio of the intensities of the side line ODMR signals to the central line I(BL)/I(CL) on the distance between the NV defect and N estimated from the concentration of the substituting nitrogen N in the reference samples; the dotted line shows the calculated dependence in accordance with the experimental points in the form of a curve Y=0.5/(R 3 ), which reflects the dipole-dipole interaction between the NV defect and N;

на Фиг. 4 показаны сигналы ОДМР, зарегистрированные в одном и том же образце алмаза с NV дефектами и замещающим азотом N при двух температурах 25°С (кривая 9) и 260°С (кривая 10), демонстрирующие отсутствие влияния температуры на отношение интенсивностей сигналов ОДМР боковой линии к центральной линии; сдвиг линий обусловлен зависимостью от температуры величины расщепления тонкой структуры.in FIG. Figure 4 shows the ODMR signals recorded in the same diamond sample with NV defects and substituting nitrogen N at two temperatures of 25°С (curve 9) and 260°С (curve 10), demonstrating the absence of temperature effect on the intensity ratio of the side line ODMR signals. to the center line the shift of the lines is due to the temperature dependence of the splitting of the fine structure.

на Фиг. 5 представлены сигналы ОДМР, зарегистрированные в двух образцах алмаза с NV дефектами и замещающим азотом N с примерно одинаковыми концентрациями N в монокристалле (кривая 11) и нанокристаллическом порошковом образце (кривая 12), демонстрирующие отсутствие влияния структуры образца на отношение интенсивностей сигналов ОДМР боковой линии к центральной линии;in FIG. Figure 5 shows the ODMR signals recorded in two diamond samples with NV defects and substituting nitrogen N with approximately the same concentrations of N in a single crystal (curve 11) and a nanocrystalline powder sample (curve 12), demonstrating the absence of an effect of the sample structure on the ratio of the intensities of the side line ODMR signals to central line;

на Фиг. 6 показаны сигналы ОДМР, зарегистрированные в одном и том же образце алмаза с NV дефектами и замещающим азотом N при температуре 25°С, помещенном в воздух (кривая 13) и воду (кривая 14), демонстрирующие отсутствие влияния среды на отношение интенсивностей сигналов ОДМР боковой линии к центральной линии. Видно резкое увеличение интенсивности сигналов ОДМР при помещении образца в среду;in FIG. Figure 6 shows the ODMR signals recorded in the same diamond sample with NV defects and substituting nitrogen N at a temperature of 25°C, placed in air (curve 13) and water (curve 14), demonstrating the absence of the influence of the medium on the intensity ratio of the lateral ODMR signals. lines to the center line. One can see a sharp increase in the intensity of ODMR signals when the sample is placed in the medium;

на Фиг. 7 показаны сигналы ОДМР NV дефектов, зарегистрированные в двух образцах алмаза, в которые NV дефекты были введены без воздействия ионизирующего облучения, с целью определения расстояния между NV дефектами и замещающим азотом N и концентрацию замещающего азота N: (кривая 15) ОДМР NV дефектов в образце, полученном путем спекания наноалмазов при высоком давлении и высокой температуре; (кривая 16) ОДМР NV дефектов в выделенном сфокусированным лазерным лучом в конфокальном микроскопе объеме образца природного алмаза, объем ~1 мкм3.in FIG. Figure 7 shows the ODMR signals of NV defects recorded in two diamond samples, in which NV defects were introduced without exposure to ionizing radiation, in order to determine the distance between NV defects and substituting nitrogen N and the concentration of substituting nitrogen N: (curve 15) ODMR of NV defects in the sample obtained by sintering nanodiamonds at high pressure and high temperature; (curve 16) ODMR of NV defects in the volume of a natural diamond sample isolated by a focused laser beam in a confocal microscope, volume ~1 μm 3 .

Способ определения расстояния между NV дефектом 1 и замещающим азотом N 2 в кристалле алмаза осуществляется следующим образом. Как показано на фиг. 1, NV дефект 1 и замещающий азот N 2 в кристалле алмаза имеют аксиальную симметрию с осью, направленной вдоль одной из четырех ориентаций <111>. Таким образом, в образце имеется набор взаимных ориентаций этих дефектов и набор расстояний R. Для возбуждения в рабочем объеме образца фотолюминесценции, по которой регистрируют сигнал оптически детектируемого магнитного резонанса, на образец кристалла алмаза воздействуют сфокусированным лазерным излучением. Одновременно воздействуют перестраиваемым по частоте радиочастотным электромагнитным полем, модулированным низкой частотой. Производят измерение интенсивности ФЛ NV дефекта 1 в рабочем объеме кристалла алмаза при различной частоте перестраиваемого радиочастотного электромагнитного поля. Определяют отношение интенсивности боковой линии ОДМР, обусловленной взаимодействием NV дефекта 1 с замещающим азотом N 2 в кристалле алмаза, к интенсивности центральной линии ОДМР NV дефекта 1 при различной частоте перестраиваемого радиочастотного электромагнитного поля. Определяют расстояние между NV дефектом 1 и замещающим азотом N 2 в кристалле алмаза с использованием ранее построенной градуировочной зависимости расстояния между NV дефектом 1 и замещающим азотом N 2 в кристалле алмаза от отношения интенсивности I(БЛ)/I(ЦЛ). При этом для построения вышеупомянутой градуировочной зависимости сначала измеряют интенсивность ФЛ NV дефекта 1 в рабочем объеме контрольных образцов кристалла алмаза с известной концентрацией замещающего азота N 2, для каждого контрольного образца определяют отношение I(БЛ)/I(ЦЛ) при различной частоте перестраиваемого радиочастотного электромагнитного поля, снимают первую градировочную кривую зависимости отношения I(БЛ)/I(ЦЛ) от концентрации замещающего азота N 2 и строят градуировочную кривую зависимости расстояния между NV дефектом 1 и замещающим азотом N 2 в кристалле алмаза от отношения интенсивности I(БЛ)/I(ЦЛ) путем пересчета концентраций замещающего азота N 2 в расстояния между NV дефектом 1 и замещающим азотом N 2 по соотношению:The method for determining the distance between NV defect 1 and substituting nitrogen N 2 in a diamond crystal is as follows. As shown in FIG. 1, NV defect 1 and substituting nitrogen N 2 in the diamond crystal have axial symmetry with the axis directed along one of the four <111> orientations. Thus, the sample has a set of mutual orientations of these defects and a set of distances R. To excite photoluminescence in the working volume of the sample, which is used to record the signal of optically detected magnetic resonance, the diamond crystal sample is exposed to focused laser radiation. At the same time, a frequency-tunable radio-frequency electromagnetic field, modulated by a low frequency, is exposed. The PL intensity NV of defect 1 is measured in the working volume of the diamond crystal at different frequencies of the tunable radio frequency electromagnetic field. The ratio of the intensity of the ODMR side line due to the interaction of the NV defect 1 with the substituting nitrogen N 2 in the diamond crystal is determined to the intensity of the central line of the ODMR NV defect 1 at different frequencies of the tunable radio frequency electromagnetic field. The distance between the NV defect 1 and the substituting nitrogen N 2 in the diamond crystal is determined using the previously constructed calibration dependence of the distance between the NV defect 1 and the substituting nitrogen N 2 in the diamond crystal on the intensity ratio I(BL)/I(CL). At the same time, to build the above-mentioned calibration dependence, first measure the PL intensity NV of defect 1 in the working volume of control samples of a diamond crystal with a known concentration of substituting nitrogen N 2, for each control sample, the ratio I(BL)/I(CL) is determined at different frequencies of the tunable radio frequency electromagnetic fields, remove the first calibration curve of the dependence of the ratio I(BL)/I(CL) on the concentration of the substituting nitrogen N 2 and build a calibration curve of the dependence of the distance between the NV defect 1 and the substituting nitrogen N 2 in the diamond crystal on the intensity ratio I(BL)/I (CL) by converting the concentrations of substituting nitrogen N 2 into the distance between NV defect 1 and substituting nitrogen N 2 according to the ratio:

Figure 00000012
Figure 00000012

где R - расстояние между NV дефектом 1 и замещающим азотом N 2, см,where R is the distance between the NV defect 1 and the substituting nitrogen N 2, cm,

nC - концентрация замещающего азота N, см-3.n C - concentration of substituting nitrogen N, cm -3 .

Возбуждение фотолюминесценции в рабочем объеме образца кристалла алмаза сфокусированным лазерным излучением может осуществляться с использованием конфокальной оптики. Использование конфокального микроскопа, позволяющего сканировать сфокусированным лазерным лучом по образцу в трех измерениях, дает возможность создавать карту пространственного распределения расстояний между NV дефектом 1 и замещающим азотом N 2 в выделенных сфокусированным лазерным излучением объемах кристалла.Excitation of photoluminescence in the working volume of a diamond crystal sample by focused laser radiation can be carried out using confocal optics. The use of a confocal microscope, which makes it possible to scan a sample with a focused laser beam in three dimensions, makes it possible to create a map of the spatial distribution of distances between the NV defect 1 and the substituting nitrogen N 2 in the crystal volumes isolated by focused laser radiation.

В качестве образца кристалла алмаза могут использовать массив нанокристаллов алмаза.An array of diamond nanocrystals can be used as a diamond crystal sample.

Могут измерять интенсивность ФЛ одиночного NV дефекта 1 в рабочем объеме кристалла алмаза при различной частоте перестраиваемого радиочастотного электромагнитного поля.They can measure the PL intensity of a single NV defect 1 in the working volume of a diamond crystal at different frequencies of a tunable radio frequency electromagnetic field.

Образец кристалла алмаза могут помещать в воду или в любую другую прозрачную в видимом оптическом диапазоне жидкость, включая биологические материалы, с показателем преломления в видимом диапазоне меньшим, чем в алмазе. Это увеличивает контрастности сигнала ОДМР NV дефекта 1 и боковых линий, обусловленных взаимодействием NV дефекта 1 с замещающим азотом N 2.A sample of a diamond crystal can be placed in water or any other liquid transparent in the visible optical range, including biological materials, with a refractive index in the visible range lower than in diamond. This increases the contrast of the ODMR signal of the NV defect 1 and side lines due to the interaction of the NV defect 1 with the substituting nitrogen N2.

В кристалле алмаза могут определять концентрацию замещающего азота N 2 с использованием найденного расстояния между NV дефектом 1 и замещающим азотом N 2 по соотношению:In a diamond crystal, the concentration of substituting nitrogen N 2 can be determined using the distance found between NV defect 1 and substituting nitrogen N 2 according to the ratio:

Figure 00000013
Figure 00000013

где nC - концентрация замещающего азота N 2, см-3;where n C is the concentration of the substituting nitrogen N 2, cm -3 ;

R - расстояние между NV дефектом 1 и замещающим азотом N 2, см.R is the distance between the NV defect 1 and the substituting nitrogen N 2, see

В кристалле алмаза могут определять время когерентности Т2, обусловленное замещающим азотом N 2 с использованием найденной концентрации замещающего азота 2 по формуле:In a diamond crystal, the coherence time T 2 due to substituting nitrogen N 2 can be determined using the found concentration of substituting nitrogen 2 according to the formula:

Figure 00000014
Figure 00000014

где Т2 - время когерентности, мкс;where T 2 - coherence time, μs;

BNV-N×= 2п, - коэффициент, кГц/ppm;B NV-N ×= 2p, - coefficient, kHz/ppm;

CN - концентрация замещающего азота N 2, ppm, которая пересчитывается по соотношению:C N is the concentration of replacing nitrogen N 2, ppm, which is recalculated according to the ratio:

Figure 00000015
Figure 00000015

где nC, см-3; CN, ppm.where n C , cm -3 ; C N , ppm.

Сигналы ОДМР NV дефектов в алмазе, зарегистрированные при комнатной температуре в нулевом магнитном поле в серии реперных образцов, приведены на фиг. 2.The ODMR signals of NV defects in diamond recorded at room temperature in a zero magnetic field in a series of reference samples are shown in Figs. 2.

Слева приведены соотношения интенсивности I(БЛ)/I(ЦЛ); спектр (кривая 3) соответствует концентрации замещающего азота N равной ~300 ppm, R=1.5 нм; (кривая 4) ~250 ppm, 1.6 нм; (кривая 5) ~150 ppm, 1.9 нм; (кривая 6) ~100 ppm, 2.1 нм; (кривая 7) ~50 ppm, 2.7 нм; (кривая 8) ~1 ppm, ~10 нм; образцы (кривая 3) - (кривая 6) и (кривая 8) - искусственно выращенные алмазы, (кривая 7) - природный алмаз.The intensity ratios I(BL)/I(CL) are shown on the left; the spectrum (curve 3) corresponds to the concentration of the substituting nitrogen N equal to ~300 ppm, R=1.5 nm; (curve 4) ~250 ppm, 1.6 nm; (curve 5) ~150 ppm, 1.9 nm; (curve 6) ~100 ppm, 2.1 nm; (curve 7) ~50 ppm, 2.7 nm; (curve 8) ~1 ppm, ~10 nm; samples (curve 3) - (curve 6) and (curve 8) - artificially grown diamonds, (curve 7) - natural diamond.

На фиг. 3. представлена рассчитанная на основании сигналов ОДМР NV дефектов 1 в виде центральной линии и боковых линий, представленных на Фиг. 2, градуировочная зависимость отношения интенсивностей сигналов ОДМР боковой линии к центральной линии I(БЛ)/I(ЦЛ) от расстояния между NV дефектом 1 и N 2, оцененного по концентрации замещающего азота N в реперных образцах с использованием формулы (2); пунктиром показана рассчитанная зависимость в соответствие с экспериментальными точками в виде кривой Y=0.5/(R3), которая отражает диполь-дипольное взаимодействие между NV дефектом 1 и N 2. Важно отметить, что упомянутое взаимодействие не проявляется в форме центральной линии ОДМР, поскольку это взаимодействие меньше ширины линии ОДМР, в то же время это взаимодействие отчетливо проявляется в отношении I(БЛ)/I(ЦЛ), давая возможность использовать это соотношение для неразрушающей экспресс-оценки расстояния между NV дефектом 1 и замещающим азотом N 2. Вид полного спектра ОДМР однозначно показывает, что боковые линии обусловлены взаимодействием с Р1 центрами, даже в условиях наличия в образце других парамагнитных дефектов.In FIG. 3. shows the NV of defects 1 calculated on the basis of the ODMR signals in the form of a central line and side lines shown in FIG. 2, calibration dependence of the ratio of the intensity of the lateral line ODMR signals to the central line I(BL)/I(CL) on the distance between the NV defect 1 and N 2, estimated from the concentration of the substituting nitrogen N in the reference samples using formula (2); the dotted line shows the calculated dependence in accordance with the experimental points in the form of a Y=0.5/(R 3 ) curve, which reflects the dipole-dipole interaction between NV defect 1 and N 2. It is important to note that the above interaction does not manifest itself in the shape of the ODMR central line, since this interaction is less than the width of the ODMR line, at the same time, this interaction is clearly manifested in the I(BL)/I(CL) ratio, making it possible to use this ratio for non-destructive express estimation of the distance between the NV defect 1 and the substituting nitrogen N 2. The ODMR spectrum unambiguously shows that the side lines are due to the interaction with P1 centers, even in the presence of other paramagnetic defects in the sample.

Необходимо исследовать внешние факторы, которые могут оказывать воздействие на отношение I(БЛ)/I(ЦЛ). Прежде всего, эксперименты с приложением внешнего магнитного поля показывают, что земное магнитное поле и поля порядка 0.1 мТл в пределах экспериментальной ошибки не оказывают влияние на это отношение.It is necessary to investigate external factors that may affect the I(BL)/I(CL) ratio. First of all, experiments with the application of an external magnetic field show that the terrestrial magnetic field and fields of the order of 0.1 mT do not affect this ratio within the experimental error.

На Фиг. 4 показаны сигналы ОДМР, зарегистрированные в одном и том же образце алмаза с NV дефектами 1 и замещающим азотом N 2 при двух температурах 25°С (кривая 9) и 260°С (кривая 10), демонстрирующие отсутствие влияния температуры на отношение интенсивностей сигналов ОДМР боковой линии к центральной линии; сдвиг линий обусловлен зависимостью от температуры величины расщепления тонкой структуры.On FIG. Figure 4 shows ODMR signals recorded in the same diamond sample with NV defects 1 and substituting nitrogen N 2 at two temperatures of 25°С (curve 9) and 260°С (curve 10), demonstrating the absence of temperature effect on the ratio of ODMR signal intensities lateral line to center line; the shift of the lines is due to the temperature dependence of the splitting of the fine structure.

Сигналы ОДМР (Фиг. 5), зарегистрированные в двух образцах алмаза с NV дефектами 1 и замещающим азотом N (Р1) 2, с примерно одинаковыми концентрациями Р1 центров в монокристалле (кривая 11) и нанокристаллическом порошковом образце (кривая 12), демонстрирующие отсутствие влияния структуры образца на отношение интенсивностей сигналов ОДМР боковой линии к центральной линии.ODMR signals (Fig. 5) recorded in two diamond samples with NV defects 1 and substituting nitrogen N (P1) 2, with approximately the same concentrations of P1 centers in a single crystal (curve 11) and a nanocrystalline powder sample (curve 12), demonstrating the absence of the effect structure of the sample on the ratio of the intensities of the lateral line ODMR signals to the central line.

Помещение образца в воду (кривая 14 фиг. 6) демонстрирует отсутствие влияния среды на отношение интенсивностей сигналов ОДМР боковой линии к центральной линии (Фиг. 6). Резкое увеличение интенсивности сигналов ОДМР при помещении образца в воду по сравнению с сигналом ОДМР на воздухе (кривая 13) демонстрирует широкие возможности, для управления этими сигналами, включая и создание метаматериалов на их основе.Placing the sample in water (curve 14 of Fig. 6) demonstrates the absence of the influence of the environment on the ratio of the intensities of the lateral line to central line ODMR signals (Fig. 6). A sharp increase in the intensity of ODMR signals when the sample is placed in water compared to the ODMR signal in air (curve 13) demonstrates the wide possibilities for controlling these signals, including the creation of metamaterials based on them.

В предлагаемом способе необходимо подобрать режимы, мощность оптического возбуждения и СВЧ мощность, при которых достигается высокая контрастность центрального сигнала ОДМР, но не искажается форма центральной линии и не появляются дополнительные боковые линии на двойных расстояниях, чтобы не вносить искажения в измерения. Предлагается использовать контрольный образец с известными параметрами для калибровки устройства перед измерениями.In the proposed method, it is necessary to choose modes, optical excitation power and microwave power, at which a high contrast of the central ODMR signal is achieved, but the shape of the central line is not distorted and additional side lines do not appear at double distances, so as not to introduce distortions into the measurements. It is suggested to use a control sample with known parameters to calibrate the device before measurements.

на Фиг. 7 показаны сигналы ОДМР NV дефектов 1, зарегистрированные в двух образцах алмаза, в которые NV дефекты 1 были введены без воздействия ионизирующего облучения с целью определить расстояние между NV дефектами и замещающим азотом N и концентрацию замещающего азота N: (кривая 15) ОДМР NV дефектов 1 в образце, полученном путем спекания наноалмазов при высоком давления и высокой температуре; (кривая 16) ОДМР NV дефектов 1 в выделенном сфокусированным лазерным лучом в конфокальном микроскопе объеме образца природного алмаза, объем ~1 мкм3.in FIG. Figure 7 shows the ODMR signals of NV defects 1 recorded in two diamond samples, in which NV defects 1 were introduced without exposure to ionizing radiation in order to determine the distance between NV defects and substitutive nitrogen N and the concentration of substitutive nitrogen N: (curve 15) ODMR of NV defects 1 in a sample obtained by sintering nanodiamonds at high pressure and high temperature; (curve 16) ODMR of NV defects 1 in the volume of a natural diamond sample isolated by a focused laser beam in a confocal microscope, volume ~1 μm 3 .

Пример 1. Описанным выше способом было измерено расстояние между NV дефектом и замещающим азотом N (Pl-центром) в образце, полученном путем спекания наноалмазов при высоком давлении и высокой температуре (см. P.G. Baranov, А.А. Soltamova, D.О. Tolmachev, N.G. Romanov, R.A. Babunts, F.M. Shakhov, S.V. Kidalov, A.Y. Vul, G.V. Mamin, S.B. Orlinskii et al., Small 7, 1533 (2011)). NV дефекты образовались в образце в процессе спекания без воздействия ионизирующего облучения. Исходя из отношения интенсивностей I(БЛ)/I(ЦЛ) ~0.185 (см. Фиг. 7, кривая 15), что с использованием градуировочной зависимости (Фиг. 3) соответствует расстоянию между NV дефектом и замещающим азотом N (P1-центром), равным ~1.4 нм. Путем пересчета расстояния в концентрацию с использованием соотношения (1), считая, что реализуется статистическое распределение замещающего азота (Р1-центров), находим концентрацию P1-центров в одной микроструктуре nc ~6×1019 cm-3. Концентрацию nC удобно перевести в другие, широко используемые единицы, с обозначением концентрации CN, ppm (ppm - один атом на миллион атомов алмазной решетки исходя из известного количества атомов углерода на единицу объема алмаза, равную 1.77×1023 cm-3) по соотношениюExample 1. Using the method described above, the distance between the NV defect and the substituting nitrogen N (Pl-center) was measured in a sample obtained by sintering nanodiamonds at high pressure and high temperature (see P.G. Baranov, A.A. Soltamova, D.O. Tolmachev, NG Romanov, RA Babunts, FM Shakhov, SV Kidalov, AY Vul, GV Mamin, SB Orlinskii et al., Small 7, 1533 (2011)). NV defects were formed in the sample during sintering without exposure to ionizing radiation. Based on the intensity ratio I(BL)/I(CL) ~0.185 (see Fig. 7, curve 15), which, using the calibration dependence (Fig. 3), corresponds to the distance between the NV defect and the substituting nitrogen N (P1 center) , equal to ~1.4 nm. By recalculating the distance into concentration using relation (1), assuming that a statistical distribution of substituting nitrogen (P1-centers) is realized, we find the concentration of P1-centers in one microstructure n c ~6×10 19 cm -3 . The concentration n C is conveniently converted to other commonly used units, with the concentration designation C N , ppm (ppm - one atom per million atoms of the diamond lattice based on the known number of carbon atoms per unit volume of diamond, equal to ratio

Figure 00000016
Figure 00000016

где nC, см-3, CN, ppm. Таким образом мы получаем CN ~350 ppm. Согласно градуировочной кривой в [см. Barry J.F., et al., "Sensitivity optimization for NV-diamond magnetometry." Reviews of modern physics 92 (Mar. 2020): no. 015004 doi http://dx.doi.org/10.1103/RevModPhys.92.015004; E. Bauch et al., Decoherence of ensembles of nitrogen-vacancy centers in diamond, Phys. Rev. В 102, 134210 (2020)], формула (3), эта концентрация замещающего азота N приводит к величине когерентности Т2 и 0.4 мкс.where n C , cm -3 , C N , ppm. Thus we get C N ~350 ppm. According to the calibration curve in [see. Barry JF, et al., "Sensitivity optimization for NV-diamond magnetometry." Reviews of modern physics 92 (Mar. 2020): no. 015004 doi http://dx.doi.org/10.1103/RevModPhys.92.015004; E. Bauch et al., Decoherence of ensembles of nitrogen-vacancy centers in diamond, Phys. Rev. In 102, 134210 (2020)], formula (3), this substitution nitrogen concentration N leads to a coherence value of T 2 and 0.4 μs.

Пример 2. Описанным выше способом было измерено расстояние между NV дефектом и замещающим азотом N (P1-центром) в выделенном сфокусированным лазерным лучом объеме в природном алмазе, размер выделенного объема ~1 мкм3. Алмаз не подвергался облучению ионизирующим излучением, NV- дефекты образовались в нем естественным образом. Использовался конфокальный микроскоп. Исходя из отношения интенсивностей I(БЛ)/I(ЦЛ) ~0.043 (см. Фиг. 7, кривая 16), что с использованием градуировочной зависимости (Фиг. 3) соответствует расстоянию между NV дефектом и замещающим азотом N (P1-центром), равным ~2.25 нм. Путем пересчета расстояния в концентрацию с использованием соотношения (1), считая, что реализуется статистическое распределение замещающего азота (Р1-центров), находим концентрацию P1-центров в выделенном сфокусированным лазерным лучом объеме nc ~1.4×1019 cm-3 (~80 ppm). Таким образом, сканируя лазерным лучом по образцу можно создать пространственную карту расстояний между NV дефектом и замещающим азотом N (P1-центром), а также карту концентраций P1-центров с разрешением конфокального микроскопа, в предельных случаях ~0.3 мкм3. Согласно градуировочной кривой в [см. Barry J.F., et al., "Sensitivity optimization for NV-diamond magnetometry." Reviews of modern physics 92 (Mar. 2020): no. 015004 doi http://dx.doi.org/10.1103/RevModPhys.92.015004; E. Bauch et al., Decoherence of ensembles of nitrogen-vacancy centers in diamond, Phys. Rev. В 102, 134210 (2020)], формула (3), эта концентрация замещающего азота N приводит к величине когерентности Т2 ~ 2 мкс.Example 2. Using the method described above, the distance between the NV defect and the substituting nitrogen N (P1 center) was measured in a volume isolated by a focused laser beam in natural diamond, the size of the selected volume was ~1 μm 3 . The diamond was not exposed to ionizing radiation; NV defects formed naturally in it. A confocal microscope was used. Based on the intensity ratio I(BL)/I(CL) ~0.043 (see Fig. 7, curve 16), which, using the calibration dependence (Fig. 3), corresponds to the distance between the NV defect and the substituting nitrogen N (P1 center) , equal to ~2.25 nm. By recalculating the distance into concentration using relation (1), assuming that the statistical distribution of substituting nitrogen (P1 centers) is realized, we find the concentration of P1 centers in the volume selected by the focused laser beam n c ~1.4×10 19 cm -3 (~80 ppm). Thus, by scanning the sample with a laser beam, one can create a spatial map of the distances between the NV defect and the substituting nitrogen N (P1 center), as well as a map of the concentrations of P1 centers with a resolution of a confocal microscope, in limiting cases ~0.3 μm 3 . According to the calibration curve in [see. Barry JF, et al., "Sensitivity optimization for NV-diamond magnetometry." Reviews of modern physics 92 (Mar. 2020): no. 015004 doi http://dx.doi.org/10.1103/RevModPhys.92.015004; E. Bauch et al., Decoherence of ensembles of nitrogen-vacancy centers in diamond, Phys. Rev. In 102, 134210 (2020)], formula (3), this substituting nitrogen concentration N leads to a coherence value T 2 ~ 2 μs.

По результатам этих примеров и, исходя из известных литературных данных по зависимости времени когерентности от концентрации P1-центров, можно оценить времена когерентности и распределение этих времен по образцу алмаза.Based on the results of these examples and based on the known literature data on the dependence of the coherence time on the concentration of P1 centers, it is possible to estimate the coherence times and the distribution of these times over the diamond sample.

Claims (19)

1. Способ определения расстояния между NV дефектом и замещающим азотом N в кристалле алмаза, включающий воздействие на образец кристалла алмаза сфокусированным лазерным излучением, возбуждающим в рабочем объеме образца фотолюминесценцию (ФЛ), по которой регистрируют сигнал оптически детектируемого магнитного резонанса (ОДМР), и перестраиваемым по частоте радиочастотным электромагнитным полем, модулированным низкой частотой, измерение интенсивности ФЛ NV дефекта в рабочем объеме кристалла алмаза при различной частоте перестраиваемого радиочастотного электромагнитного поля, определение отношения интенсивности боковой линии ОДМР, обусловленной взаимодействием NV дефекта с замещающим азотом N в кристалле алмаза, к интенсивности центральной линии ОДМР NV дефекта при различной частоте перестраиваемого радиочастотного электромагнитного поля и определение расстояние между NV дефектом и замещающим азотом N в кристалле алмаза с использованием ранее построенной градуировочной зависимости расстояния между NV дефектом и замещающим азотом N в кристалле алмаза от отношения интенсивности боковой линии ОДМР, обусловленной взаимодействием NV дефекта с замещающим азотом N в кристалле алмаза, к интенсивности центральной линии ОДМР NV дефекта, при этом для построения вышеупомянутой градуировочной зависимости измеряют интенсивность ФЛ NV дефекта в рабочем объеме контрольных образцов кристалла алмаза с известной концентрацией замещающего азота N, для каждого контрольного образца определяют отношение интенсивности боковой линии ОДМР, обусловленной взаимодействием NV дефекта с замещающим азотом N, к интенсивности центральной линии ОДМР NV дефекта при различной частоте перестраиваемого радиочастотного электромагнитного поля, снимают первую градировочную кривую зависимости отношения интенсивности боковой линии ОДМР, обусловленной взаимодействием NV дефекта с замещающим азотом N в кристалле алмаза, к интенсивности центральной линии ОДМР NV дефекта от концентрации замещающего азота N и строят градуировочную кривую зависимости расстояния между NV дефектом и замещающим азотом N в кристалле алмаза от отношения интенсивности боковой линии ОДМР, обусловленной взаимодействием NV дефекта с замещающим азотом N в кристалле алмаза, к интенсивности центральной линии ОДМР NV дефекта путем пересчета концентраций замещающего азота N в расстояния между NV дефектом и замещающим азотом N по соотношению:1. A method for determining the distance between an NV defect and a substituting nitrogen N in a diamond crystal, which includes exposing a diamond crystal sample to focused laser radiation, which excites photoluminescence (PL) in the working volume of the sample, which is used to record the optically detectable magnetic resonance (ODMR) signal, and tunable by frequency by a radio-frequency electromagnetic field modulated by a low frequency, measurement of the PL intensity of an NV defect in the working volume of a diamond crystal at different frequencies of a tunable radio-frequency electromagnetic field, determination of the ratio of the intensity of the ODMR side line due to the interaction of the NV defect with the substituting nitrogen N in the diamond crystal to the intensity of the central ODMR lines of the NV defect at different frequencies of the tunable radio frequency electromagnetic field and determining the distance between the NV defect and the substituting nitrogen N in a diamond crystal using the previously constructed calibration dependence of the distance the ratio between the NV defect and the substituting nitrogen N in the diamond crystal on the ratio of the intensity of the ODMR side line, due to the interaction of the NV defect with the substituting nitrogen N in the diamond crystal, to the intensity of the central line of the ODMR NV defect, while to build the above-mentioned calibration dependence, the PL intensity of the NV defect is measured in the working volume of control samples of a diamond crystal with a known concentration of substituting nitrogen N, for each control sample, the ratio of the intensity of the side line of the ODMR, due to the interaction of the NV defect with the substituting nitrogen N, to the intensity of the central line of the ODMR of the NV defect at different frequencies of the tunable radio frequency electromagnetic field is determined, taken the first calibration curve of the dependence of the intensity of the ODMR side line due to the interaction of the NV defect with the substituting nitrogen N in the diamond crystal to the intensity of the central line of the ODMR NV defect on the concentration of the substituting nitrogen N and build the calibration curve of the dependence of the distance between the NV defect and the substituting nitrogen N in the diamond crystal on the ratio of the intensity of the ODMR side line due to the interaction of the NV defect with the substituting nitrogen N in the diamond crystal to the intensity of the central line of the ODMR NV defect by recalculating the concentrations of the substituting nitrogen N into the distance between NV defect and substituting nitrogen N according to the ratio: R =0.55nC -1/3,R =0.55n C -1/3 , где R - расстояние между NV дефектом и замещающим азотом N, см;where R is the distance between the NV defect and the substituting nitrogen N, cm; nC - концентрация замещающего азота N, см-3.n C - concentration of substituting nitrogen N, cm -3 . 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что возбуждение фотолюминесценции в рабочем объеме образца кристалла алмаза сфокусированным лазерным излучением осуществляют с использованием конфокальной оптики.2. The method according to claim 1, characterized in that the excitation of photoluminescence in the working volume of a diamond crystal sample by focused laser radiation is carried out using confocal optics. 3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве образца кристалла алмаза используют массив нанокристаллов алмаза.3. The method according to claim 1, characterized in that an array of diamond nanocrystals is used as a diamond crystal sample. 4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что измеряют интенсивность ФЛ одиночного NV дефекта в рабочем объеме кристалла алмаза при различной частоте перестраиваемого радиочастотного электромагнитного поля.4. The method according to claim 1, characterized in that the PL intensity of a single NV defect is measured in the working volume of a diamond crystal at different frequencies of a tunable radio frequency electromagnetic field. 5. Способ по п. 1, отличающийся тем, что образец кристалла алмаза помещают в воду или в любую другую прозрачную в видимом оптическом диапазоне жидкость, включая биологические материалы, с показателем преломления в видимом диапазоне меньшим, чем в алмазе.5. The method according to claim 1, characterized in that a diamond crystal sample is placed in water or in any other liquid transparent in the visible optical range, including biological materials, with a refractive index in the visible range lower than in diamond. 6. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в кристалле алмаза определяют концентрацию замещающего азота N с использованием найденного расстояния между NV дефектом и замещающим азотом N по соотношению:6. The method according to claim 1, characterized in that the concentration of substituting nitrogen N is determined in a diamond crystal using the distance found between the NV defect and substituting nitrogen N according to the ratio: nC=0.166R-3,n C \u003d 0.166R -3 , где nC - концентрация замещающего азота N, см-3;where n C is the concentration of the substituting nitrogen N, cm -3 ; R - расстояние между NV дефектом и замещающим азотом N, см.R is the distance between the NV defect and the substituting nitrogen N, see 7. Способ по п. 6, отличающийся тем, что в кристалле алмаза определяют время когерентности Т2, обусловленное замещающим азотом N с использованием найденной концентрации замещающего азота по формуле:7. The method according to claim 6, characterized in that the coherence time T 2 is determined in the diamond crystal, due to the substituting nitrogen N using the found substituting nitrogen concentration according to the formula: 1/Т2=BNV-N×CN,1/T 2 \u003d B NV-N ×C N , где Т2 - время когерентности, мкс;where T 2 - coherence time, μs; BNV-N×=2п, - коэффициент, кГц/ppm;B NV-N ×=2n, - coefficient, kHz/ppm; CN - концентрация замещающего азота N, ppm, которая пересчитывается по соотношению:C N - concentration of substituting nitrogen N, ppm, which is recalculated according to the ratio: CN=0.565×10-17 nC,C N =0.565×10 -17 n C , где nC, см-3; CN, ppm.where n C , cm -3 ; C N , ppm.
RU2021134108A 2021-11-22 Method for determining distance between nv defect and substitute nitrogen n in diamond crystal RU2775869C1 (en)

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2775869C1 true RU2775869C1 (en) 2022-07-11

Family

ID=

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU217818U1 (en) * 2022-12-29 2023-04-19 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки "Федеральный исследовательский центр "Казанский научный центр Российской академии наук" Confocal microscope substrate for measuring optically detectable magnetic resonance

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2010051580A1 (en) * 2008-11-04 2010-05-14 The University Of Melbourne Monitoring sample via quantum decoherence rate of probe
RU2522596C2 (en) * 2012-07-31 2014-07-20 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Физико-технический институт им. А.И. Иоффе Российской академии наук Method of determining angle of misorientation of diamond crystallites in diamond composite
RU2570471C1 (en) * 2014-12-15 2015-12-10 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук Method of determining orientation of nv defects in crystal

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2010051580A1 (en) * 2008-11-04 2010-05-14 The University Of Melbourne Monitoring sample via quantum decoherence rate of probe
RU2522596C2 (en) * 2012-07-31 2014-07-20 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Физико-технический институт им. А.И. Иоффе Российской академии наук Method of determining angle of misorientation of diamond crystallites in diamond composite
RU2570471C1 (en) * 2014-12-15 2015-12-10 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук Method of determining orientation of nv defects in crystal

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Т. Gaebel, М. Domhan, I. Рора, С. Wittmann, P. Neumann, F. Jelezko, J.R. Rabeau, N. Stavrias, A.D. Greentree, S. Prawer, J. Meijer, J. Twamley, P.R. Hemmer, J. Wrachtrup, Room-temperature coherent coupling of single spins in diamond, nature physics 2, 408 (2006). *

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU217818U1 (en) * 2022-12-29 2023-04-19 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки "Федеральный исследовательский центр "Казанский научный центр Российской академии наук" Confocal microscope substrate for measuring optically detectable magnetic resonance

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Levine et al. Principles and techniques of the quantum diamond microscope
Jarmola et al. Temperature-and magnetic-field-dependent longitudinal spin relaxation in nitrogen-vacancy ensembles in diamond
Wood et al. Wide-band nanoscale magnetic resonance spectroscopy using quantum relaxation of a single spin in diamond
US20170146615A1 (en) Diamond magnetometer
EP3529595B1 (en) Methods and apparatus for magnetic particle analysis using wide-field diamond magnetic imaging
EP3242139B1 (en) Method and apparatus for determining a magnetic field
Yang et al. Scanning quantum cryogenic atom microscope
US10875766B2 (en) High throughput characterization of individual magnetic nanoparticles
Marshall et al. High-precision mapping of diamond crystal strain using quantum interferometry
US10895617B2 (en) Nanoscale nuclear quadrupole resonance spectroscopy
Kollarics et al. Ultrahigh nitrogen-vacancy center concentration in diamond
Backlund et al. Diamond-based magnetic imaging with fourier optical processing
RU2601734C1 (en) Method of measuring magnetic field
Sengottuvel et al. Wide-field magnetometry using nitrogen-vacancy color centers with randomly oriented micro-diamonds
RU2775869C1 (en) Method for determining distance between nv defect and substitute nitrogen n in diamond crystal
WO2018220183A1 (en) Method and device for generating a nuclear magnetic resonance spectrum of nuclear spin moments of a sample
US11953457B2 (en) Method for processing spin magnetometry data
Stern et al. A quantum coherent spin in a two-dimensional material at room temperature
Mignon et al. Fast, broad-band magnetic resonance spectroscopy with diamond widefield relaxometry
Zhang et al. Nanoscale spin detection of copper ions using double electron-electron resonance at room temperature
Ren et al. Demonstration of NV-detected C 13 NMR at 4.2 T
Chakraborty et al. Magnetic-field-assisted spectral decomposition and imaging of charge states of N-V centers in diamond
Nomura Wide-field imaging using ensembles of NV centers in diamond
Rubinas et al. Interaction of nitrogen-vacancy centers in diamond with a dense ensemble of carbon-13
Ejalonibu et al. Towards the design and operation of a uniformly illuminated NV detector for magnetic field mapping applications