纳米金刚石中的氮-空位发射：尺寸、深度与周围环境
光学
2025-12-11 v3 介观与纳米尺度物理
量子物理
摘要
金刚石中的带负电氮-空位 (NV) 中心是一种领先的固态量子发射体，在宽温度范围内提供自旋-光子接口，应用范围从电磁传感到生物成像。虽然块状金刚石中的 NV 中心已被充分理解，但将其嵌入纳米金刚石 (ND) 中会引入来自尺寸、NV 位置和 NV 极化方向的复杂性。纳米金刚石中的 NV 表现出改变的荧光特性，包括更长的寿命、更低的量子效率以及对介电周围环境更高的灵敏度，这些特性源于辐射抑制、表面诱导的非辐射衰减以及金刚石-背景界面的逃逸效率低下。先前的模型通常处理孤立的方面，例如介电对比或表面淬灭，而没有将完整的量子光学 NV 行为与经典电动力学相结合。我们提出了一个混合框架，将严格的电磁模拟与包含声子边带动力学的量子光学 NV 模型耦合起来。研究发现，NV 发射强烈依赖于纳米金刚石尺寸、NV 位置和周围折射率。我们的结果解释了观察到的现象，例如在水包覆的纳米金刚石中的浅层 NV 比在空气中的深层 NV 显得更亮。这个集成模型为现实的纳米金刚石中 NV 发射场景提供了一个统一的框架，并为设计高效的基于 NV 的传感器和量子器件提供了信息，从而推进了对纳米尺度晶体中量子发射体光物理学的理解。
引用
@article{arxiv.2508.08565,
title = {Nitrogen-Vacancy Emission from Nanodiamond: Size, Depth, and Surroundings},
author = {Harini Hapuarachchi and Francesco Campaioli and Jared H Cole and Andrew D Greentree and Qiang Sun},
journal= {arXiv preprint arXiv:2508.08565},
year = {2025}
}