氮-空位中心

氮空位中心（N-V中心或NV中心）是金刚石中众多点缺陷之一。它最被探索和有用的特性是它的光致发光，这使得观察者可以读出它的自旋状态。

在室温下，NV中心的电子自旋，在原子尺度上定位，可以被外部因素操纵，如磁场、电场、微波辐射或光，导致光致发光的强度出现尖锐的共振。

这些共振可以用电子自旋相关的现象来解释，如量子纠缠、自旋-轨道相互作用和拉比振荡，并使用先进的量子光学理论进行分析。

一个单独的NV中心可以作为量子计算机的基本单元，即量子比特，并用于量子密码学。

在电子和传感的新领域的进一步潜在应用包括自旋电子学、藏匿器和量子传感器。如果没有指定电荷，术语NV中心是指带负电的NV-中心。

氮空穴中心是金刚石晶格中的一个点缺陷。它由一个替代碳原子的氮原子的近邻对和一个晶格空位组成。

这种缺陷的两种电荷状态，即中性的NV0和负性的NV-，是通过使用光学吸收、光致发光（PL）、电子顺磁共振（EPR）和光学检测磁共振（ODMR）的光谱研究得知的，这可以被看作是PL和EPR的混合体；该结构的大部分细节来自于EPR。

一方面，氮原子有五个价电子。其中三个与碳原子共价结合，而另外两个保持非结合状态，被称为孤对。

另一方面，空位有三个未配对电子。其中两个形成一个准共价键，一个保持不配对。然而，整体对称性是轴向的（三角形C3V）；我们可以通过想象三个未配对的空位电子不断交换它们的角色来想象这一点。

因此，NV0有一个未配对的电子，是顺磁性的。然而，尽管做出了大量的努力，在2008年之前的几十年里，来自NV0的电子顺磁共振信号一直没有被发现。要使NV0缺陷进入EPR检测的激发态，需要进行光学激发；来自基态的信号可能太宽，无法进行EPR检测。

NV0中心可以通过改变费米级位置转化为NV-。这可以通过向由掺杂金刚石制成的p-n结施加外部电压来实现，例如在肖特基二极管中。

在负电荷状态NV-，一个额外的电子位于空位上，与其中一个空位电子形成自旋S=1对。就像在NV0中一样，空位电子在交换角色，以保持整体的三角对称性。这种NV-状态通常被称为氮-空穴中心，但有些不正确。中性状态一般不用于量子技术。

氮空穴中心在金刚石晶体中是随机取向的。

氮空位中心通常是由单个替代氮中心（在金刚石文献中称为C或P1中心）通过辐照和在700℃以上的温度下退火而产生。

广泛的高能粒子适用于这种辐照，包括电子、质子、中子、离子和伽马光子。辐照产生晶格空位，它是NV中心的一部分。

这些空位在室温下是不动的，需要退火来移动它们。单一取代的氮在金刚石晶格中产生应变；因此它能有效地捕捉移动的空位，产生NV中心。

在金刚石的化学气相沉积过程中，一小部分的单取代氮杂质（通常为<0.5%）会捕获由于等离子体合成而产生的空位。这样的氮空位中心优先排列在生长方向上。

钻石因具有相对较大的晶格应变而闻名。应变使单个中心的光学转换发生分裂和移动，导致中心群中出现宽线。

为了产生大多数实验所需的极其尖锐的NV线（线宽~10MHz），需要特别注意：选择高质量、xxx或更好的合成钻石（IIa型）。

其中许多钻石已经有足够浓度的生长的NV中心，并且适合于应用。如果没有，它们会被高能粒子辐照并退火。

选择一定的辐照剂量可以调整产生的NV中心的浓度，从而使单个NV中心以微米级的距离分开。

然后，单个NV中心可以用标准光学显微镜或更好的具有亚微米分辨率的近场扫描光学显微镜进行研究。