Nanoscale NMR with Diamond Defects Although nuclear magnetic resonance (NMR) methods can be used for spatial imaging, the low sensitivity of detectors limits the minimum sample size. Two reports now describe the use of near-surface nitrogen-vacancy (NV) defects in diamond for detecting nanotesla magnetic fields from very small volumes of material (see the Perspective by Hemmer ). The spin of the defect can be detected by changes in its fluorescence, which allows proton NMR of organic samples only a few nanometers thick on the diamond surface. Mamin et al. (p. 557 ) used a combination of electron spin echoes and pulsed NMR manipulation of the proton spins to detect the very weak fields. Staudacher et al. (p. 561 ) measured statistical polarization of a population of about 10 4 spins near the NV center with a dynamical decoupling method.

Coherent coupling between single quantum objects is at the very heart of modern quantum physics. When the coupling is strong enough to prevail over decoherence, it can be used to engineer quantum entangled states. Entangled states have attracted widespread attention because of applications to quantum computing and long-distance quantum communication. For such applications, solid-state hosts are preferred for scalability reasons, and spins are the preferred quantum system in solids because they offer long coherence times. Here we show that a single pair of strongly coupled spins in diamond, associated with a nitrogen-vacancy defect and a nitrogen atom, respectively, can be optically initialized and read out at room temperature. To effect this strong coupling, close proximity of the two spins is required, but large distances from other spins are needed to avoid deleterious decoherence. These requirements were reconciled by implanting molecular nitrogen into high-purity diamond.

Realization of devices based on quantum laws might lead to building processors that outperform their classical analogues and establishing unconditionally secure communication protocols. Solids do usually present a serious challenge to quantum coherence. However, owing to their spin-free lattice and low spin orbit coupling, carbon materials and particularly diamond are suitable for hosting robust solid state quantum registers. We show that scalable quantum logic elements can be realized by exploring long range magnetic dipolar coupling between individually addressable single electron spins associated with separate color centers in diamond. Strong distance dependence of coupling was used to characterize the separation of single qubits 98 A with unprecedented accuracy (3 A) close to a crystal lattice spacing. Our demonstration of coherent control over both electron spins, conditional dynamics, selective readout as well as switchable interaction, opens the way towards a room temperature solid state scalable quantum register. Since both electron spins are optically addressable, this solid state quantum device operating at ambient conditions provides a degree of control that is currently available only for atomic systems.

Engineered defects in the diamond lattice hold promise for the storage and manipulation of quantum information. Entanglement between the electron and nuclear spins of two such defects is demonstrated at room temperature. Entanglement is the central yet fleeting phenomenon of quantum physics. Once being considered a peculiar counter-intuitive property of quantum theory1, it has developed into the most central element of quantum technology. Consequently, there have been a number of experimental demonstrations of entanglement between photons2, atoms3, ions4 and solid-state systems such as spins or quantum dots5,6,7, superconducting circuits8,9 and macroscopic diamond10. Here we experimentally demonstrate entanglement between two engineered single solid-state spin quantum bits (qubits) at ambient conditions. Photon emission of defect pairs reveals ground-state spin correlation. Entanglement (fidelity = 0.67±0.04) is proved by quantum state tomography. Moreover, the lifetime of electron spin entanglement is extended to milliseconds by entanglement swapping to nuclear spins. The experiments mark an important step towards a scalable room-temperature quantum device being of potential use in quantum information processing as well as metrology.

We report a versatile method to polarize single nuclear spins in diamond, based on optical pumping of a single nitrogen-vacancy (NV) defect and mediated by a level anticrossing in its excited state. A nuclear-spin polarization higher than 98% is achieved at room temperature for the $^{15}\mathrm{N}$ nuclear spin associated with the NV center, corresponding to $\ensuremath{\mu}\mathrm{K}$ effective nuclear-spin temperature. We then show simultaneous initialization of two nuclear spins in the vicinity of a NV defect. Such robust control of nuclear-spin states is a key ingredient for further scaling up of nuclear-spin based quantum registers in diamond.

Views Icon Views Article contents Figures & tables Video Audio Supplementary Data Peer Review Share Icon Share Twitter Facebook Reddit LinkedIn Tools Icon Tools Reprints and Permissions Cite Icon Cite Search Site Citation M. Loretz, S. Pezzagna, J. Meijer, C. L. Degen; Nanoscale nuclear magnetic resonance with a 1.9-nm-deep nitrogen-vacancy sensor. Appl. Phys. Lett. 20 January 2014; 104 (3): 033102. https://doi.org/10.1063/1.4862749 Download citation file: Ris (Zotero) Reference Manager EasyBib Bookends Mendeley Papers EndNote RefWorks BibTex toolbar search Search Dropdown Menu toolbar search search input Search input auto suggest filter your search All ContentAIP Publishing PortfolioApplied Physics Letters Search Advanced Search |Citation Search

We study decoherence of a single nitrogen-vacancy (NV) center induced by the 13C nuclear spin bath of diamond. By comparing Hahn-Echo experiments on single and double-quantum transitions of the NV triplet ground state we demonstrate that this bath can be tuned into two different regimes. At low magnetic fields, the nuclei behave as a quantum bath which causes decoherence by entangling with the NV central spin. At high magnetic fields, the bath behaves as a source of classical magnetic field noise, which creates decoherence by imprinting a random phase on the NV central spin.

The ability to perform noninvasive, non-contact measurements of electric signals produced by action potentials is essential in biomedicine. A key method to do this is to remotely sense signals by the magnetic field they induce. Existing methods for magnetic field sensing of mammalian tissue, used in techniques such as magnetoencephalography of the brain, require cryogenically cooled superconducting detectors. These have many disadvantages in terms of high cost, flexibility and limited portability as well as poor spatial and temporal resolution. In this work we demonstrate an alternative technique for detecting magnetic fields generated by the current from action potentials in living tissue using nitrogen vacancy centres in diamond. With 50pT/$\sqrt{Hz}$ sensitivity, we show the first measurements of sensing from mammalian tissue with a diamond sensor using mouse muscle optogenetically activated with blue light. We show these measurements can be performed in an ordinary, unshielded lab environment and that the signal can be easily recovered by digital signal processing techniques.

Sensitive, real-time optical magnetometry with nitrogen-vacancy centers in diamond relies on accurate imaging of small ($\ll 10^{-2}$) fractional fluorescence changes across the diamond sample. We discuss the limitations on magnetic-field sensitivity resulting from the limited number of photoelectrons that a camera can record in a given time. Several types of camera sensors are analyzed and the smallest measurable magnetic-field change is estimated for each type. We show that most common sensors are of a limited use in such applications, while certain highly specific cameras allow to achieve nanotesla-level sensitivity in $1$~s of a combined exposure. Finally, we demonstrate the results obtained with a lock-in camera that pave the way for real-time, wide-field magnetometry at the nanotesla level and with micrometer resolution.

Cryogenic vector magnet systems make it possible to study the anisotropic magnetic properties of materials without mechanically rotating the sample but by electrically tilting and turning the magnetic field. Vector magnetic fields generated inside superconducting vector magnets are generally measured with three Hall sensors. These three probes must be calibrated over a range of temperatures, and the temperature-dependent calibrations cannot be easily carried out inside an already magnetized superconducting magnet because of remaining magnetic fields. A single magnetometer based on an ensemble of nitrogen vacancy (NV) centers in diamond is proposed to overcome these limitations. The quenching of the photoluminescence intensity emitted by NV centers can determine the field in the remanent state of the solenoids and allows an easy and fast canceling of the residual magnetic field. Once the field is reset to zero, the calibration of this magnetometer can be performed in situ by a single measurement of an optically detected magnetic resonance spectrum. Thereby, these magnetometers do not require any additional temperature-dependent calibrations outside the magnet and offer the possibility to measure vector magnetic fields in three dimensions with a single sensor. Its axial alignment is given by the crystal structure of the diamond host, which increases the accuracy of the field orientation measured with this sensor, compared to the classical arrangement of three Hall sensors. It is foreseeable that the magnetometer described here has the potential to be applied in various fields in the future, such as the characterization of ferromagnetic core solenoids or other magnetic arrangements.