基于扫描隧道显微镜的 NV 中心原子尺度成像与电荷态操控

氮空位（NV）中心是最具前景的固态量子比特之一，由于其异常长的自旋相干时间、有效的自旋-光子耦合、室温运行以及制造和集成技术的不断进步而备受青睐。尽管该领域已取得显著进展，但对单个 NV 中心的原子尺度表征和控制仍然尚未实现。本文提出了一种新方法，利用可导电石墨烯封装层，使通过扫描隧道显微镜（STM）直接成像和操控 $NV^{-}$ 缺陷成为可能。通过调查超过 40 个单个 $NV^{-}$ 中心，我们识别了其光谱特征和空间配置。我们的 dI/dV 导电谱图显示，基态大约位于费米能级下方约 300 meV。此外，态密度图揭示了一种沿 [111] 晶轴方向呈两极形波函数。令人惊讶的是，我们演示了通过 STM 针尖诱导的栅极效应将 NV 中心的电荷态从 $NV^{-}$ 转换为 $NV^{0}$。该工作代表了 NV 中心原子尺度理解和工程化的重大进展，为未来的量子器件开发指明了道路。