ИССЛЕДОВАНИЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УРОВНЕЙ КРАМЕРСОВО-ВЫРОЖДЕННОЙ СИСТЕМЫ 14NV-13C В МАГНИТНОМ И ЭЛЕКТРИЧЕСКОМ ПОЛЕ

В данной работе проводится исследование трехспиновой системы ¹⁴NV-¹³C, которая включает электронный спин NV-центра и ядерные спины атомов ¹³С и ¹⁴N. В этой системе наблюдается двукратное вырождение энергетических уровней в нулевом магнитном поле (вырождение Крамерса) из-за инвариантности спинового гамильтониана к обращению времени. Для исследования влияния магнитного и электрического поля на энергетические уровни системы было проведено моделирование спектров оптически детектируемого магнитного резонанса (ОДМР) этой гибридной квантовой системы в рамках метода спин-гамильтониана при одновременном воздействии на систему магнитного и электрического или внутрикристаллического поля. Построенная модель хорошо согласуется с экспериментальным спектром ОДМР одиночного комплекса ¹⁴NV-¹³C, локализованном в образце сверхчистого алмаза с помощью конфокального микроскопа. По расщеплению спектра ОДМР в нулевом магнитном поле и по данным квантово-химического моделирования было определено, что атом ¹³С расположен в третьей координационной сфере NV-центра, и соответствующий этому положению тензор сверхтонкого взаимодействия электронного спина NV-центра и ядерного спина изотопа углерода ¹³С использовался в модели. В результате численные расчеты показали, что вырождение снимается только магнитным полем, независимо от наличия какого-либо электрического (кристаллического) поля, что делает данную квантовую систему перспективным для магнитометрии.

1. Du J. Shi F., Kong X., Jelezko F., Wrachtrup J. Single-molecule scale magnetic resonance spectroscopy using quantum diamond sensors // Reviews of Modern Physics, 2024. V. 96. № 2. Article ID 025001.

2. Barry J.F., Schloss J.M., Bauch E., Turner M.J., Hart C.A., Pham L.M., Walsworth R.L. Sensitivity Optimization for NV-Diamond Magnetometry // Reviews of Modern Physics, 2020. V. 92. № 1. Article ID 015004.

3. Stürner F.M., Brenneis A., Buck T., Kassel J., Rölver R., Fuchs T., Savitsky A., Suter D., Grimmel J., Hengesbach S., Förtsch M., Nakamura K., Sumiya H., Onoda S., Isoya J., Jelezko F. Integrated and Portable Magnetometer Based on Nitrogen-Vacancy Ensembles in Diamond // Advanced Quantum Technologies , 2021. V. 4. Article ID 2000111.

4. Udvarhelyi P., Shkolnikov V.O., Gali A., Bur-kard G., Pályi A. Spin-strain interaction in nitrogen-vacancy centers in diamond // Physical Review B, 2018. V. 98. Article ID 075201.

5. Nizovtsev A.P., Kilin S.Ya., Pushkarchuk A.L., Pushkarchuk V.L., Kutsen S. Kramers Degenerated Spin Systems «NV Center+Few Proximal 13C Nuclei» in Diamond for Single-Spin Magnetometry // Nonlinear Phenomena in Complex Systems, 2011. V. 14. P. 319.

6. Nizovtsev A.P., Kilin S.Ya., Pushkarchuk A.L., Kuten S.A. Kramers-degenerated NV+113C spin systems in diamond: analytical description // Proc. SPIE 8699, Saratov Fall Meeting 2012: Optical Technologies in Biophysics and Medicine XIV; and Laser Physics and Photonics XIV, 86990T (26 February 2013).

7. Kramers H.A. General theory of paramagnetic rotation in crystals //Proc. Acad. Sci. Amsterdam, 1930. V. 33. P. 959.

8. Dréau A., Lesik M., Rondin L., Spinicelli P., Arcizet O., Roch J.-F., Jacques V. Avoiding power broadening in optically detected magnetic resonance of single NV defects for enhanced DC-magnetic field sensitivity // Physical Review B, 2011. V. 84 № 19. Article ID 195204.

9. Низовцев А.П., Кукин Н.С., Мурадова А.Р., Семенов П.А., Салказанов А.Т., Смирнова М.О., Пушкарчук А.Л., Васильев А.Н., Каргин Н.И., Ки-лин С.Я. Векторная магнитометрия с помощью одиночного комплекса NV-13C в алмазе // Журнал прикладной спектроскопии, 2022. Т. 89. № 6. C. 807.

10. Кукин Н.С., Мурадова А.Р., Никитин А.К., Бухтияров А.А., Низовцев А.П., Семенов П.А., Васильев А.Н., Каргин Н.И., Смирнова М.О. Использование сверхтонкой структуры спектра оптически детектируемого магнитного резонанса одиночного NV-дефекта в алмазе в квантовой сенсорике слабых магнитных полей // Журнал прикладной спектроскопии. 2023. Т. 90. № 6. С. 850–855.

11. Nizovtsev A.P., Kilin S.Ya., Pushkarchuk A.L., Pushkarchuk V.A., Kuten S.A., Zhikol O.A., Schmitt S., Unden T., Jelezko F. Non-flipping 13C spins near an NV center in diamond: hyperfine and spatial characteristics by density functional theory simulation of the C510[NV]H252 // New Journal of Physics, 2018. V. 20. № 2 Article ID 023022.

12. Jiang F.-J., Ye J.-F., Jiao Z., Huang Z.-Y., Lv H.-J. Estimation of vector static magnetic field by a nitrogen-vacancy center with a single first-shell 13C nuclear (NV–13C) spin in diamond // Chinese Physics B, 2018. V. 27. № 5. Article ID 057601.