The negatively charged nitrogen-vacancy (NV-) center in diamond has realized new frontiers in quantum technology. Here, the center's optical and spin resonances are observed under hydrostatic pressures up to 60 GPa. Our observations motivate powerful new techniques to measure pressure and image high pressure magnetic and electric phenomena. Our observations further reveal a fundamental inadequacy of the current model of the center and provide new insight into its electronic structure.

Nuclear magnetic resonance spectroscopy and magnetic resonance imaging at the ultimate sensitivity limit of single molecules or single nuclear spins requires fundamentally new detection strategies. The strong coupling regime, when interaction between sensor and sample spins dominates all other interactions, is one such strategy. In this regime, classically forbidden detection of completely unpolarized nuclei is allowed, going beyond statistical fluctuations in magnetization. Here we realize strong coupling between an atomic (nitrogen–vacancy) sensor and sample nuclei to perform nuclear magnetic resonance on four 29Si spins. We exploit the field gradient created by the diamond atomic sensor, in concert with compressed sensing, to realize imaging protocols, enabling individual nuclei to be located with Angstrom precision. The achieved signal-to-noise ratio under ambient conditions allows single nuclear spin sensitivity to be achieved within seconds. Nuclear magnetic resonance spectroscopy is a powerful technique that can identify the presence of certain atoms in a sample by their magnetic properties. Müller et al.now take this concept to its ultimate limit by measuring individual nuclear spins near the surface of diamond.

We demonstrate diamond-based quantum imaging of the current flow in graphene structures with submicrometer resolution.

We report on the noise spectrum experienced by few nanometer deep nitrogen-vacancy centers in diamond as a function of depth, surface coating, magnetic field and temperature. Analysis reveals a double-Lorentzian noise spectra consistent with a surface electronic spin bath, with slower dynamics due to spin-spin interactions and faster dynamics related to phononic coupling. These results shed new light on the mechanisms responsible for surface noise affecting shallow spins at semiconductor interfaces, and suggests possible directions for further studies. We demonstrate dynamical decoupling from the surface noise, paving the way to applications ranging from nanoscale NMR to quantum networks.

We report the observation of stable optical transitions in nitrogen-vacancy (NV) centers created by ion implantation. Using a combination of high temperature annealing and subsequent surface treatment, we reproducibly create NV centers with zero-phonon lines (ZPL) exhibiting spectral diffusion that is close to the lifetime-limited optical line width. The residual spectral diffusion is further reduced by using resonant optical pumping to maintain the NV– charge state. This approach allows for placement of NV centers with excellent optical coherence in a well-defined device layer, which is a crucial step in the development of diamond-based devices for quantum optics, nanophotonics, and quantum information science.

Technologies that capture the complex electrical dynamics occurring in biological systems, across fluid membranes and at solid–liquid interfaces are important for furthering fundamental understanding and innovation in diverse fields from neuroscience to energy storage. However, the capabilities of existing voltage imaging techniques utilizing microelectrode arrays, scanning probes or optical fluorescence methods are limited by resolution, scan speed and photostability, respectively. Here we report an optoelectronic voltage imaging system that overcomes these limitations by using nitrogen-vacancy defects as charge-sensitive fluorescent reporters embedded within a transparent semiconducting diamond device. Electrochemical tuning of the diamond surface termination enables photostable optical voltage imaging with a quantitative linear response at biologically relevant voltages and timescales. This technology represents a major step towards label-free, large-scale and long-term voltage recording of physical and biological systems with sub-micrometre spatial resolution. Nitrogen-vacancy centres in surface-engineered diamond are demonstrated to operate as charge-sensitive fluorescent reporters, enabling an optical scheme for voltage recording in physical and biological systems.

Van der Waals electrode integration is a promising strategy to create nearly perfect interfaces between metals and 2D materials, with advantages such as eliminating Fermi-level pinning and reducing contact resistance. However, the lack of a simple, generalizable pick-and-place transfer technology has greatly hampered the wide use of this technique. We demonstrate the pick-and-place transfer of prefabricated electrodes from reusable polished hydrogenated diamond substrates without the use of any sacrificial layers due to the inherent low-energy and dangling-bond-free nature of the hydrogenated diamond surface. The technique enables transfer of arbitrary-metal electrodes and an electrode array, as demonstrated by successful transfer of eight different elemental metals with work functions ranging from 4.22 to 5.65 eV. We also demonstrate the electrode array transfer for large-scale device fabrication. The mechanical transfer of metal electrodes from diamond to van der Waals materials creates atomically smooth interfaces with no interstitial impurities or disorder, as observed with cross-section high-resolution transmission electron microscopy and energy-dispersive X-ray spectroscopy. As a demonstration of its device application, we use the diamond transfer technique to create metal contacts to monolayer transition metal dichalcogenide semiconductors with high-work-function Pd, low-work-function Ti, and semimetal Bi to create n- and p-type field-effect transistors with low Schottky barrier heights. We also extend this technology to air-sensitive materials (trilayer 1T' WTe2) and other applications such as ambipolar transistors, Schottky diodes, and optoelectronics. This highly reliable and reproducible technology paves the way for new device architectures and high-performance devices.

Abstract A boron‐oxide termination of the diamond (100) surface has been formed by depositing molecular boron oxide B 2 O 3 onto the hydrogen‐terminated (100) diamond surface under ultrahigh vacuum conditions and annealing to 950 °C. The resulting termination is highly oriented and chemically homogeneous, although further optimization is required to increase the surface coverage beyond the 0.4 monolayer coverage achieved here. This work demonstrates the possibility of using molecular deposition under ultrahigh vacuum conditions for complex surface engineering of the diamond surface, and may be a first step in an alternative approach to fabricating boron doped delta layers in diamond.

Abstract In this work, a new Field Effect Transistor device concept based on hydrogen‐terminated diamond (H‐diamond) is demonstrated that operates in an Accumulation Channel rather than a Transfer Doping regime. The FET devices demonstrate both extreme enhancement‐mode operation and high on‐current with improved channel charge mobility compared to Transfer‐Doped equivalents. Electron‐beam evaporated Al 2 O 3 is used on H‐diamond to suppress the Transfer Doping mechanism and produce an extremely high ungated channel resistance. A high‐quality H‐diamond surface with an unpinned Fermi level is crucially achieved, allowing for the formation of a high‐density hole accumulation layer by gating the entire device channel which is encapsulated in dual‐stacks of Al 2 O 3 . Completed devices with gate/channel length of 1 µm demonstrate record threshold voltage < −6 V with on‐current > 80 mA mm −1 . Carrier density and mobility figures extracted by CV analysis indicate a high 2D charge density of ≈ 2 × 10 12 cm −2 and increased hole mobility of 110 cm 2 V −1 s −1 in comparison with more traditional Transfer‐Doped H‐diamond FETs. These results demonstrate the most negative threshold voltage yet reported for H‐diamond FETs and highlight a powerful new strategy to greatly improve carrier mobility and enable enhanced high power and high frequency diamond transistor performance.