zhpsЖурнал прикладной спектроскопииZhurnal Prikladnoii Spektroskopii0514-7506B. I. Stepanov Institute of Physics of the National Academy of Scienceszhps-927Research ArticleСтатьиПроявления в ИК-люминесценции процессов кросс-релаксации NV-центров в слабых магнитных поляхManifestation in IR-luminescence of the cross relaxation processes between NV centers in weak magnetic fieldsФилимоненкоД. С.FilimonenkoD. S.

Минск

Minsk

demonr@tut.byЯсинскийВ. М.YasinskiiV. M.

Минск

Minsk

demonr@tut.byНизовцевА. П.NizovtsevA. P.

Минск;

Москва

Minsk;

Moscow

demonr@tut.byКилинС. Ф.KilinS. A.

Минск

Minsk

demonr@tut.byЖелезкоФ.JelezkoF.

Ульм

Ulm

Институт физики НАН БеларусиInstitute of Physics of the National Academy of Sciences of BelarusИнститут физики НАН Беларуси; Национальный исследовательский ядерный университет МИФИInstitute of Physics of the National Academy of Sciences of Belarus; National Research Nuclear University “MEPhI”Институт квантовой оптики Университета УльмаInstitute for Quantum Optics, Ulm University202108112021886858871Copyright © Филимоненко Д.С., Ясинский В.М., Низовцев А.П., Килин С.Ф., Железко Ф., 20212021Филимоненко Д.С., Ясинский В.М., Низовцев А.П., Килин С.Ф., Железко Ф.Filimonenko D.S., Yasinskii V.M., Nizovtsev A.P., Kilin S.A., Jelezko F.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://zhps.ejournal.by/jour/article/view/927

Экспериментально и теоретически изучено влияние магнитного поля на флуоресценцию ансамбля NV-центров в алмазе. Обнаружено, что в области нулевого магнитного поля происходит локальное увеличение инфракрасного испускания NV-центров, связанного с синглет-синглетными переходами. Исследовано влияние мощности и поляризации лазерного излучения на амплитуду и форму обнаруженного локального максимума в ИК-люминесценции NV-центров. Построена восьмиуровневая фотофизическая модель NV-центра в присутствии произвольно направленного магнитного поля и на ее основе выполнен расчет интенсивности люминесценции, испускаемой ансамблем NV-центров, как в видимой, так и в инфракрасной областях спектра. Показано, что феноменологический учет в рамках данной модели процессов кросс-релаксации NV-центров между собой и с другими парамагнитными центрами в алмазе позволяет описать экспериментально наблюдаемые особенности флуоресценции ансамбля NV-центров в присутствии слабых магнитных полей. 

We present a combined experimental and theoretical study of the effect of magnetic field on the luminescence from an ensemble of NV centers in diamond. It was found that the intensity of infrared luminescence associated with transitions between singlet levels of NV centers shows a pronounced increase of a near-zero magnetic field. The influence of the power and polarization of laser radiation on the amplitude and shape of the revealed local maximum in IR-luminescence of NV centers is investigated. An eight-level photophysical model of an NV center in the presence of an arbitrarily directed magnetic field has been constructed and on its basis the calculation has been performed of the luminescence intensity emitted by an ensemble of NV center, both in the visible and infrared regions of the spectrum. It is shown that the phenomenological allowance for the cross-relaxation of NV centers between each other and with other paramagnetic centers in a diamond within the framework of this model allows describing the experimentally observed fluorescence features of an ensemble of NV centers in the presence of weak magnetic fields. 

алмазфотолюминесценцияNV-центрыоптически детектируемый магнитный резонансмагнитометрияdiamondphotoluminescenceNV centersoptically detectable magnetic resonancemagnetometryРабота выполнена в рамках задания 3.01.1 государственной программы научных исследований “Конвергенция-2025” (подпрограмма “Междисциплинарные исследования и новые зарождающиеся технологии”) и в части разработки фотофизической модели NV-центра в алмазе в присутствии произвольно направленного магнитного поля — проекта РНФ-DFG 21-42-04416.ReferencesP. C. Maurer, G. Kucsko, C. Latta, L. Jiang, N. Y. Yao, S. D. Bennett, F. Pastawski, D. Hunger, N. Chisholm, M. Markham, D. J. Twitchen, J. I. Cirac, M. D. Lukin. Science, 336 (2012) 1283—1286[1] P. C. Maurer, G. Kucsko, C. Latta, L. Jiang, N. Y. Yao, S. D. Bennett, F. Pastawski, D. Hunger, N. Chisholm, M. Markham, D. J. Twitchen, J. I. Cirac, M. D. Lukin. Science, 336 (2012) 1283—1286E. Rittweger, K. Y. Han, S. E. Irvine, C. Eggeling, S. W. Hell. Nat. Photon., 3 (2009) 144—147[2] E. Rittweger, K. Y. Han, S. E. Irvine, C. Eggeling, S. W. Hell. Nat. Photon., 3 (2009) 144—147F. Dolde, H. Fedder, M. W. Doherty, T. Nobauer, F. Rempp, G. Balasubramanian, T. Wolf, F. Reinhard, L. C. L. Hollenberg, F. Jelezko, J. Wrachtrup. Nat. Phys., 7 (2011) 459—463[3] F. Dolde, H. Fedder, M. W. Doherty, T. Nobauer, F. Rempp, G. Balasubramanian, T. Wolf, F. Reinhard, L. C. L. Hollenberg, F. Jelezko, J. Wrachtrup. Nat. Phys., 7 (2011) 459—463A. Beveratos, R. Brouri, T. Gacoin, A. Villing, J.-P. Poizat, P. Grangier. Phys. Rev. Lett., 89 (2002) 187901[4] A. Beveratos, R. Brouri, T. Gacoin, A. Villing, J.-P. Poizat, P. Grangier. Phys. Rev. Lett., 89 (2002) 187901J. F. Barry, J. M. Schloss, E.Bauch, M. J. Turner, C. A. Hart, L. M. Pham, R. L. Walsworth. Rev. Mod. Phys., 92 (2020) 015004[5] J. F. Barry, J. M. Schloss, E.Bauch, M. J. Turner, C. A. Hart, L. M. Pham, R. L. Walsworth. Rev. Mod. Phys., 92 (2020) 015004E. van Oort, P. Stroomer, M. Glasbeek. Phys. Rev. B, 42 (1990) 8605—8608[6] E. van Oort, P. Stroomer, M. Glasbeek. Phys. Rev. B, 42 (1990) 8605—8608J. M. Taylor, P. Cappellaro, L. Childress, L. Jiang, D. Budker, P. R. Hemmer, A. Yacoby, R. Walsworth, M. D. Lukin. Nat. Phys., 4 (2008) 810—816[7] J. M. Taylor, P. Cappellaro, L. Childress, L. Jiang, D. Budker, P. R. Hemmer, A. Yacoby, R. Walsworth, M. D. Lukin. Nat. Phys., 4 (2008) 810—816E. van Oort, M. Glasbeek. Phys. Rev. B 40 (1989) 6509—6517[8] E. van Oort, M. Glasbeek. Phys. Rev. B 40 (1989) 6509—6517R. J. Epstein, F. M. Mendoza, Y. K. Kato, D. D. Awschalom. Nat. Phys., 1 (2005) 94—98[9] R. J. Epstein, F. M. Mendoza, Y. K. Kato, D. D. Awschalom. Nat. Phys., 1 (2005) 94—98S. Armstrong, L. J. Rogers, R. L. McMurtrie, N. B. Manson. Physics Procedia, 3, N 4 (2010) 1569—1575[10] S. Armstrong, L. J. Rogers, R. L. McMurtrie, N. B. Manson. Physics Procedia, 3, N 4 (2010) 1569—1575S. V. Anishchik, K. L. Ivanov. Phys. Rev. B, 96 (2017) 115142[11] S. V. Anishchik, K. L. Ivanov. Phys. Rev. B, 96 (2017) 115142A. Wickenbrock, H. Zheng, L. Bougas, N. Leefer, S. Afach, A. Jarmola, V. M. Acosta, D. Budker. Appl. Phys. Lett., 109 (2016) 053505[12] A. Wickenbrock, H. Zheng, L. Bougas, N. Leefer, S. Afach, A. Jarmola, V. M. Acosta, D. Budker. Appl. Phys. Lett., 109 (2016) 053505H. Zheng, Z. Sun, G. Chatzidrosos, C. Zhang, K. Nakamura, H. Sumiya, T. Ohshima, J. Isoya, J. Wrachtrup, A. Wickenbrock, D. Budker. Phys. Rev. Appl., 13, N 4 (2020) 044023[13] H. Zheng, Z. Sun, G. Chatzidrosos, C. Zhang, K. Nakamura, H. Sumiya, T. Ohshima, J. Isoya, J. Wrachtrup, A. Wickenbrock, D. Budker. Phys. Rev. Appl., 13, N 4 (2020) 044023X. Zhang, G.Chatzidrosos, Y. Hu, H. Zheng, A. Wickenbrock, A. Jerschow, D. Budker. Appl. Sci., 11 (2021) 3069[14] X. Zhang, G.Chatzidrosos, Y. Hu, H. Zheng, A. Wickenbrock, A. Jerschow, D. Budker. Appl. Sci., 11 (2021) 3069S. V. Anishchik, V. G. Vins, A. P. Yelisseyev, N. N. Lukzen, N. L. Lavrik, V. A. Bagryansky. New J. Phys., 17 (2015) 023040[15] S. V. Anishchik, V. G. Vins, A. P. Yelisseyev, N. N. Lukzen, N. L. Lavrik, V. A. Bagryansky. New J. Phys., 17 (2015) 023040D. S. Filimonenko, V. M. Yasinskii, A. P. Nizovtsev, S. Ya. Kilin. Semiconductors, 52, N 14 (2018) 1865—1867[16] D. S. Filimonenko, V. M. Yasinskii, A. P. Nizovtsev, S. Ya. Kilin. Semiconductors, 52, N 14 (2018) 1865—1867D. S. Filimonenko, V. M. Yasinskii, A. P. Nizovtsev, S. Ya. Kilin, F. Jelezko. Semiconductors, 54, N 12 (2020) 1730—1733[17] D. S. Filimonenko, V. M. Yasinskii, A. P. Nizovtsev, S. Ya. Kilin, F. Jelezko. Semiconductors, 54, N 12 (2020) 1730—1733R. Wunderlich, R. Staacke, W. Knolle, B. Abel, J. Meijer. J. Appl. Phys., 130 (2021) 124901[18] R. Wunderlich, R. Staacke, W. Knolle, B. Abel, J. Meijer. J. Appl. Phys., 130 (2021) 124901R. Akhmedzhanov, L. Gushchin, N. Nizov, V. Nizov, D. Sobgayda, I. Zelensky, P. Hemmer. Phys. Rev. A, 100 (2019) 043844[19] R. Akhmedzhanov, L. Gushchin, N. Nizov, V. Nizov, D. Sobgayda, I. Zelensky, P. Hemmer. Phys. Rev. A, 100 (2019) 043844Р. А. Ахмеджанов, Л. А. Гущин, И. В. Зеленский, В. А. Низов, Н. А. Низов, Д. А. Собгайда. Квант. электр., 48, № 10 (2018) 912—915[20] Р. А. Ахмеджанов, Л. А. Гущин, И. В. Зеленский, В. А. Низов, Н. А. Низов, Д. А. Собгайда. Квант. электр., 48, № 10 (2018) 912—915V. M. Acosta, E. Bauch, A. Jarmola, L. J. Zipp, M. P. Ledbetter, D. Budker. Appl. Phys. Lett., 97, N 17 (2010) 174104[21] V. M. Acosta, E. Bauch, A. Jarmola, L. J. Zipp, M. P. Ledbetter, D. Budker. Appl. Phys. Lett., 97, N 17 (2010) 174104Y. Dumeige, M. Chipaux, V. Jacques, F. Treussart, J.-F. Roch, T. Debuisschert, V. M. Acosta, A. Jarmola, K. Jensen, P. Kehayias, D. Budker. Phys. Rev. B, 87 (2013) 155202[22] Y. Dumeige, M. Chipaux, V. Jacques, F. Treussart, J.-F. Roch, T. Debuisschert, V. M. Acosta, A. Jarmola, K. Jensen, P. Kehayias, D. Budker. Phys. Rev. B, 87 (2013) 155202L. J. Rogers, S. Armstrong, M. J. Sellars, N. B. Manson. New J. Phys., 10 (2008) 103024[23] L. J. Rogers, S. Armstrong, M. J. Sellars, N. B. Manson. New J. Phys., 10 (2008) 103024M. W. Doherty. N. B. Manson, P. Delaney, F. Jelezko, J. Wrachtrup, L. C. L. Hollenberg. Phys. Rep., 528 (2013) 1—45[24] M. W. Doherty. N. B. Manson, P. Delaney, F. Jelezko, J. Wrachtrup, L. C. L. Hollenberg. Phys. Rep., 528 (2013) 1—45A. P. Nizovtsev, S. Ya. Kilin, F. Jelezko, I. Popa, A. Gruber, C. Tietz, J. Wrachtrup. Opt. Spectr., 94 (2003) 848—858[25] A. P. Nizovtsev, S. Ya. Kilin, F. Jelezko, I. Popa, A. Gruber, C. Tietz, J. Wrachtrup. Opt. Spectr., 94 (2003) 848—858Д. А. Варшалович, А. Н. Москалев, В. К. Херсонский. Квантовая теория углового момента, Ленинград, Наука (1975) 42[26] Д. А. Варшалович, А. Н. Москалев, В. К. Херсонский. Квантовая теория углового момента, Ленинград, Наука (1975) 42G. Balasubramanian, I. Y. Chan, R. Kolesov, M. Al-Hmoud, J. Tisler, C. Shin, C. Kim, A. Wojcik, P. R. Hemmer, A. Krueger, T. Hanke, A. Leitenstorfer, R. Bratschitsch, F. Jelezko, J. Wrachtrup. Nature, 455 (2008) 648—651[27] G. Balasubramanian, I. Y. Chan, R. Kolesov, M. Al-Hmoud, J. Tisler, C. Shin, C. Kim, A. Wojcik, P. R. Hemmer, A. Krueger, T. Hanke, A. Leitenstorfer, R. Bratschitsch, F. Jelezko, J. Wrachtrup. Nature, 455 (2008) 648—651M. L. Goldman, A. Sipahigil, M. W. Doherty, N. Y. Yao, S. D. Bennett, M. Markham, D. J. Twitchen, N. B. Manson, A. Kubanek, M. D. Lukin. Phys. Rev. Lett., 114 (2015) 145502[28] M. L. Goldman, A. Sipahigil, M. W. Doherty, N. Y. Yao, S. D. Bennett, M. Markham, D. J. Twitchen, N. B. Manson, A. Kubanek, M. D. Lukin. Phys. Rev. Lett., 114 (2015) 145502A. P. Nizovtsev, S. Ya. Kilin, A. L. Pushkarchuk, V. A. Pushkarchuk, S. A. Kuten, O. A. Zhikol, S. Schmitt, T. Unden, F. Jelezko. New J. Phys., 20 (2018) 023022[29] A. P. Nizovtsev, S. Ya. Kilin, A. L. Pushkarchuk, V. A. Pushkarchuk, S. A. Kuten, O. A. Zhikol, S. Schmitt, T. Unden, F. Jelezko. New J. Phys., 20 (2018) 023022A. Jarmola, V. M. Acosta, K. Jensen, S. Chemerisov, D. Budker. Phys. Rev. Lett., 108 (2012) 197601[30] A. Jarmola, V. M. Acosta, K. Jensen, S. Chemerisov, D. Budker. Phys. Rev. Lett., 108 (2012) 197601A. T. Collins, M. F. Thomaz, M. I. B. Jorge. J. Phys. C, 16 (1983) 2177—2181[31] A. T. Collins, M. F. Thomaz, M. I. B. Jorge. J. Phys. C, 16 (1983) 2177—2181O. Gazzano, C. Becher. Phys. Rev. B, 95 (2017) 115312[32] O. Gazzano, C. Becher. Phys. Rev. B, 95 (2017) 115312H. Duarte, H. T. Dinani, V. Jacques, J. R. Maze. Phys. Rev. B, 103 (2021) 195443[33] H. Duarte, H. T. Dinani, V. Jacques, J. R. Maze. Phys. Rev. B, 103 (2021) 195443M. Mrozek, D. Rudnicki, P. Kehayias, A. Jarmola, D. Budker, W. Gawlik. EPJ Quantum Technology, 2, N 22 (2015) 1—11[34] M. Mrozek, D. Rudnicki, P. Kehayias, A. Jarmola, D. Budker, W. Gawlik. EPJ Quantum Technology, 2, N 22 (2015) 1—11W. V. Smith, P. P. Sorokin, I. L. Gelles, G. J. Lasher. Phys. Rev., 115 (1959) 1546—1553[35] W. V. Smith, P. P. Sorokin, I. L. Gelles, G. J. Lasher. Phys. Rev., 115 (1959) 1546—1553J. H .N. Loubser, L. Du Preez. Br. J. Appl. Phys., 16, N 4 (1965) 457—462[36] J. H .N. Loubser, L. Du Preez. Br. J. Appl. Phys., 16, N 4 (1965) 457—462A. Cox, M. E. Newton, J. M. Baker. J. Phys. Condens. Matter, 6 (1994) 551—563[37] A. Cox, M. E. Newton, J. M. Baker. J. Phys. Condens. Matter, 6 (1994) 551—563R. C. Barklie, J. Guven. J. Phys. C, Solid State Phys., 14 (1981) 3621—3631[38] R. C. Barklie, J. Guven. J. Phys. C, Solid State Phys., 14 (1981) 3621—3631H. J. Bower, M. C. R. Symons. Nature, 210 (1966) 1037—1038[39] H. J. Bower, M. C. R. Symons. Nature, 210 (1966) 1037—1038P. R. Briddon, R. Jones. Physica B, 185 (1993) 179—189[40] P. R. Briddon, R. Jones. Physica B, 185 (1993) 179—189A. Mainwood. Phys. Rev. B, 49 (1994) 7934—7940[41] A. Mainwood. Phys. Rev. B, 49 (1994) 7934—7940E.B. Lombardi, A. Mainwood, K. Osuch, E.C. Reynhardt. J. Phys. Condens. Matter, 15 (2003) 3135—3149[42] E.B. Lombardi, A. Mainwood, K. Osuch, E.C. Reynhardt. J. Phys. Condens. Matter, 15 (2003) 3135—3149C. V. Peaker, M. K. Atumi, J. P. Goss, P. R. Briddon, A. B. Horsfall, M. J. Raysona, R. Jones. Diam. Relat. Mater., 70 (2016) 118—123[43] C. V. Peaker, M. K. Atumi, J. P. Goss, P. R. Briddon, A. B. Horsfall, M. J. Raysona, R. Jones. Diam. Relat. Mater., 70 (2016) 118—123A. M. Ferrari, S. Salustro, F. S. Gentile, W. C. Mackrodt, R. Dovesi. Carbon, 134 (2018) 354—365[44] A. M. Ferrari, S. Salustro, F. S. Gentile, W. C. Mackrodt, R. Dovesi. Carbon, 134 (2018) 354—365H. J. Wang, Ch. S. Shin, S. J. Seltzer, C. E. Avalos, A. Pines, V. S. Bajaj. Nat. Commun., 5 (2014) 4135[45] H. J. Wang, Ch. S. Shin, S. J. Seltzer, C. E. Avalos, A. Pines, V. S. Bajaj. Nat. Commun., 5 (2014) 4135

The authors declare that there are no conflicts of interest present.