金刚石中浅层氮空位中心的电荷稳定性及基于电荷态的自旋读出

金刚石中带负电氮空位（NV）中心的基于自旋的应用需要高效的自旋读出。一种方法是自旋到电荷转换（SCC），其依赖于将自旋态映射到中性（NV$^0$）和负电（NV$^-$）电荷态，随后进行电荷读出。在电荷态高稳定性的情况下，与常用的荧光检测相比，SCC可实现更长的测量时间，提高精度并最小化读出噪声。然而，纳米尺度传感应用需要位于距表面几$\si{\nano \meter}$范围内的浅层NV中心，此处与表面相关的效应可能会劣化NV电荷态。在本文中，我们研究了植入平坦金刚石板表面下方$\approx \SI{5}{\nano \meter}$处的单个NV中心的电荷态初始化与稳定性。我们在四个适用于纳米尺度传感的浅层NV中心上演示了SCC协议，获得了为自旋投影噪声极限5–6倍的降低的读出噪声。我们研究了SCC对浅层NV中心的一般适用性，并观察到NV电荷态稳定性与读出噪声之间的相关性。用甘油涂覆金刚石改善了电荷初始化与稳定性。我们的结果揭示了与表面相关的电荷环境对NV电荷性质的影响，并激励进一步研究用甘油或其他材料功能化金刚石表面，以实现适用于纳米尺度传感的浅层NV中心的电荷态稳定与高效自旋态读出。