Spins in solids are cornerstone elements of quantum spintronics. Leading contenders such as defects in diamond or individual phosphorus dopants in silicon have shown spectacular progress, but either lack established nanotechnology or an efficient spin/photon interface. Silicon carbide (SiC) combines the strength of both systems: it has a large bandgap with deep defects and benefits from mature fabrication techniques. Here, we report the characterization of photoluminescence and optical spin polarization from single silicon vacancies in SiC, and demonstrate that single spins can be addressed at room temperature. We show coherent control of a single defect spin and find long spin coherence times under ambient conditions. Our study provides evidence that SiC is a promising system for atomic-scale spintronics and quantum technology.

Newly discovered van der Waals materials like MoS2, WSe2, hexagonal boron nitride (h-BN), and recently C2N have sparked intensive research to unveil the quantum behavior associated with their 2D structure. Of great interest are 2D materials that host single quantum emitters. h-BN, with a band gap of 5.95 eV, has been shown to host single quantum emitters which are stable at room temperature in the UV and visible spectral range. In this paper we investigate correlations between h-BN structural features and emitter location from bulk down to the monolayer at room temperature. We demonstrate that chemical etching and ion irradiation can generate emitters in h-BN. We analyze the emitters' spectral features and show that they are dominated by the interaction of their electronic transition with a single Raman active mode of h-BN. Photodynamics analysis reveals diverse rates between the electronic states of the emitter. The emitters show excellent photo stability even under ambient conditions and in monolayers. Comparing the excitation polarization between different emitters unveils a connection between defect orientation and the h-BN hexagonal structure. The sharp spectral features, color diversity, room-temperature stability, long-lived metastable states, ease of fabrication, proximity of the emitters to the environment, outstanding chemical stability, and biocompatibility of h-BN provide a completely new class of systems that can be used for sensing and quantum photonics applications.

Abstract Apart from being an extraordinary optical and electronic material, diamond has also found applications in quantum mechanics especially in quantum sensing with the discovery and research development of various color centers. Elastic strain engineering (ESE), as a powerful modulation method, can tune the quantum properties and improve the performance of diamond quantum sensors. In recent years, deep ESE (DESE, when >5% elastic strain, or > σ ideal /2 is achieved) has been realized in micro/nano-fabricated diamond and shows a great potential for tuning the quantum mechanical properties of diamond substantially. In this perspective, we briefly review the quantum properties of diamond and some of the corresponding sensing applications carried out with ESE, and look at how DESE could be applied for further tuning the quantum sensing properties of diamond with desired applications and what the critical challenges are.

We designed and built up a new type of ambient scanning probe microscope (SPM), which is fully compatible with state-of-the-art quantum sensing technology based on the nitrogen-vacancy (NV) centers in diamond. We chose a qPlus-type tuning fork (Q up to ∼4400) as the current/force sensor of SPM for its high stiffness and stability under various environments, which yields atomic resolution under scanning tunneling microscopy mode and 1.2-nm resolution under atomic force microscopy mode. The tip of SPM can be used to directly image the topography of nanoscale targets on diamond surfaces for quantum sensing and to manipulate the electrostatic environment of NV centers to enhance their sensitivity up to a single proton spin. In addition, we also demonstrated scanning magnetometry and electrometry with a spatial resolution of ∼20 nm. Our new system not only paves the way for integrating atomic/molecular-scale color-center qubits onto SPM tips to produce quantum tips but also provides the possibility of fabricating color-center qubits with nanoscale or atomic precision.

Abstract Laser spectroscopy offers a significant tool for revealing specific molecular details with the desired accuracy and sensitivity. However, it poses challenges to maintain high sensitivity when targeting a micro‐region. Here, a dual‐enhanced photothermal approach is presented using a high‐finesse fiber Fabry–Pérot (F–P) cavity, tailored for highly sensitive chemical sensing with nanoliter‐scale light–matter interaction. A spheric surface (diameter: 50 µm, radius of curvature: 910 µm) is created on the fiber tip using focused ion beam milling. By adding a high‐reflectivity dielectric coating to the spheric surface, a fiber F–P cavity is obtained with a length of 473 µm and a finesse exceeding 4000. The intra‐cavity pump light within the gas‐filled fiber cavity generates a strong photothermal effect upon gas absorption. This effect induces phase modulation, which is amplified and detected by coupling a probe laser to the fiber cavity‐based interferometer. A minimum detection limit of 10 parts‐per‐billion (ppb) of C 2 H 2 at 1530.37 nm is demonstrated using only 1 mW of pump power, corresponding to a normalized noise equivalent absorption coefficient of 9.1×10 −11 cm −1 ∙W∙Hz −1/2 . This platform breaks the bottleneck of ultrasensitive gas detection with a very short light–matter interaction length, promising significant advancements in microscale chemical analysis through optical investigations.