《Diamond and Related Materials》：Selective engineering of color centers in diamond using ultraviolet nanosecond laser pulses
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•纳秒激光脉冲可以选择性地修饰钻石中的自间隙相关缺陷，而不会影响背景中的氮空位（NV）中心。•通过连续的激光脉冲照射，首先生成了自间隙相关缺陷，随后这些缺陷又被消除。•提出了由自由载流子和/或激子捕获以及级联激发引起的缺陷重组机制来解释观察到的现象。引言钻石中的色心，如氮空位（N
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纳秒激光脉冲可以选择性地修饰钻石中的自间隙相关缺陷，而不会影响背景中的氮空位（NV）中心。
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通过连续的激光脉冲照射，首先生成了自间隙相关缺陷，随后这些缺陷又被消除。
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提出了由自由载流子和/或激子捕获以及级联激发引起的缺陷重组机制来解释观察到的现象。
引言
钻石中的色心，如氮空位（NV）中心，是独特的点缺陷，因其潜在的应用价值而在量子技术领域被广泛研究。这些色心提供了可以相干操控自旋状态并通过光学或电学方式读取信息的物理系统，从而使其适用于量子计算[1]。此外，钻石色心的优异自旋相干性和光学跃迁特性使它们非常适合用于量子网络[2][3]。对于NV中心而言，其自旋能级对外部磁场和电场敏感，因此可以作为具有纳米级空间分辨率的量子传感器[2][4]。
能够在许多位置或设备中可靠地产生具有可控特性的色心对于实现实际的量子应用至关重要。为了实现可扩展的制造，对色心的确定性控制是必不可少的。这里所说的选择性工程是指有目的地修改钻石晶格中的目标缺陷种类，同时不影响其他共存的缺陷群体。相比之下，非选择性生成则会同时修改多种缺陷种类，而不对它们进行区分。确定性控制的一个方面是选择性地在钻石中修饰特定的点缺陷。这种选择性工程非常重要。在生成色心的过程中，各种类型的点缺陷会共存[5]。非选择性生成方法会无差别地修改这些缺陷，这无法确保形成正确的缺陷组合，通常导致所需色心的产率较低[6][7][8]。此外，非选择性工程可能会引入不需要的缺陷种类[9][10]，这些缺陷会成为磁噪声和电荷噪声的来源[11][12][13][14]。因此，选择性地在钻石晶格中修饰特定的点缺陷不仅有助于提高所需色心的产率，还有助于抑制来自非目标缺陷的噪声。
已经探索了多种生成色心的方法，包括离子注入、高能粒子辐照和直接激光写入[15]。在所探索的方法中，直接激光写入（DLW）因其多功能性、高吞吐量和资源效率而特别有前景[16][17]。用于生成钻石色心的DLW通常使用脉冲宽度小于100 ps的超短激光脉冲。这使得在形成色心时能够实现更强的三维空间控制，利用了紧密聚焦和非线性光学效应，如多光子吸收[15][18]。然而，以氮空位中心为例，激光处理过程中生成色心的过程可能涉及多个阶段，包括缺陷生成、迁移、组合和重组。由于强烈的超短激光脉冲与钻石晶格之间的非线性相互作用[19][20]，上述过程在机制上尚不完全清楚，从而给最终缺陷浓度和激光焦域内的空间位置带来了很大的不确定性[20][21][22]。这种不确定性使得在晶格中选择性工程不同点缺陷变得具有挑战性。通常，DLW中强烈的超短激光脉冲引起的相互作用会同时创建和/或修改多种点缺陷[8]，因此目前还无法选择性地创建/工程感兴趣的色心。
使用脉冲宽度为纳秒且光子能量低于带隙的激光脉冲为使用DLW选择性工程钻石中的点缺陷提供了有前景的方法。强度适中的激光脉冲（即 <10^9 W/cm^2）主要在钻石晶格中引发光子的线性吸收[17][23]。由于光子能量低于钻石的带隙，吸收必须由具有中间带隙能级的点缺陷辅助。这种限制有效地将电子激发和弛豫定位在缺陷附近。正如Itoh和Stoneham所报告的[24][25]，电子的激发能量可以转移到钻石晶格中的缺陷周围并定位在那里。这种能量转移可能通过级联激发和电子-晶格耦合等各种机制引发键的变化，从而促进点缺陷的结构变化[24]。这种机制为选择性工程特定点缺陷提供了可能性。值得注意的是，虽然热退火利用点缺陷不同的激活能量表现出一定程度的选择性，但它缺乏像DLW那样的空间控制[9][26]。相比之下，使用纳秒激光脉冲的DLW可以同时提供选择性和空间控制，使其成为钻石中确定性缺陷工程的强大工具。
在这里，我们展示了266 nm纳秒脉冲激光可以有选择性地修改563 nm的缺陷，这种缺陷是与自间隙相关的缺陷，而不会影响钻石晶格中氮空位（NV）中心的浓度或空间分布。NV^-中心是一种被广泛研究的量子系统，因为它被用作量子比特，并在量子信息处理和传感中有多种应用[1][2][3]。自间隙通常通过离子注入[27][28]和高能电子辐照[9][29]引入，是需要仔细控制的点缺陷。在形成NV中心的过程中，自间隙的存在通常是不希望的，因为它们的激活能量较低，可能会干扰单个空位的扩散，阻碍目标色心结构的形成[22][29]。在其他情况下，一些与自间隙相关的色心，如TR12中心，是原子级量子计量学的有希望的候选者[30][31][32]。因此，能够选择性和有效地工程自间隙相关缺陷可以增强对缺陷相互作用的控制，并促进所需色心的形成。我们的工作证明了266 nm紫外纳秒脉冲激光可以在钻石中实现这种选择性的缺陷工程，有助于推进基于钻石色心的量子技术的制造。
部分摘要
紫外纳秒脉冲激光辐照
实验中使用的钻石样本是(100)方向的单晶，尺寸为3 × 3 × 0.25 mm，采用CVD技术生长（普通等级，名义氮浓度< 1 ppm，硼浓度< 0.05 ppm，Element Six [33]）。为了排除微量金属污染作为观察到的光致发光的可能来源，已与供应商确认了CVD钻石样本的纯度。根据供应商的产品特性，过渡金属和其他重金属
激光辐照条件
本研究中使用的激光辐照参数总结在表1中。系统地改变了单脉冲能量和脉冲数量，以研究它们对钻石中缺陷工程的影响。在所有辐照过程中，激光脉冲强度保持在10^9 W/cm^2以下，以确保如多光子吸收等非线性过程在钻石晶格中不起显著作用[17][23]。这种限制可能将大部分光子-晶格相互作用
结论
总之，波长为266 nm、脉冲宽度为6 ns的纳秒激光脉冲可以选择性地修改563 nm的缺陷，这种缺陷是与自间隙相关的缺陷，而不会影响钻石晶格中的背景NV中心。通过共聚焦光致发光光谱、紫外-可见吸收光谱和傅里叶变换红外光谱对钻石样本进行辐照前的表征，确认没有检测到可检测到的单
CRediT作者贡献声明
Jiaxin Ye：撰写——原始稿件、方法论、研究、数据分析。Emmanuel E. Umukoro：撰写——审阅与编辑、研究、数据分析。Rafael Bento Serpa：撰写——审阅与编辑、方法论、研究。Jason J. Amsden：撰写——审阅与编辑、监督、资源管理、研究。April S. Brown：撰写——审阅与编辑、监督、资源管理、研究、资金筹集、概念构思。Jeffery T. Glass：
在准备这项工作时，作者使用了ChatGPT（OpenAI）、Clause AI和Google Gemini来协助进行文献搜索、参考文献识别和语言编辑。所有AI辅助的输出都经过了严格审查，并与主要科学文献进行了核对，然后由作者进行了编辑。作者对发表文章的准确性、完整性和内容负全部责任。
作者声明他们没有已知的可能会影响本文报道工作的竞争性财务利益或个人关系。
这项工作部分在北卡罗来纳州立大学的分析仪器设施（AIF）进行，该设施得到了国家科学基金会（奖项编号ECCS-2025064）的支持。AIF是北卡罗来纳研究三角区纳米技术网络（RTNN）的成员，该网络是国家纳米技术协调基础设施（NNCI）的一部分。这项工作基于
