СТАБИЛЬНЫЕ ЭЛЕКТРОННО-ЯДЕРНЫЕ СПИНОВЫЕ СИСТЕМЫ NV–13C В АЛМАЗЕ ДЛЯ КВАНТОВЫХ ТЕХНОЛОГИЙ

Using the methods of computational chemistry, we calculated matrices AKL describing hyperfine interactions (HFI) between the electron spin of the color ‘nitrogen-vacancy’ center (NV center) in a diamond and a 13C nuclear spin located somewhere in the Н-terminated carbon cluster C510[NV]H252 hosting the NV center. The rates W0 of the 13C spin flip-flops induced by anisotropic HFI are calculated systematically for all possible locations of 13C in the cluster. It is shown that in the cluster, there are specific positions of nuclear 13C spin, in which it almost does not undergo such flip-flops due to small off-diagonal elements in corresponding matrices AKL. Spatial locations of the 13C stability positions in the cluster are discovered and characteristic splitting values in the spectra of optically detected magnetic resonance (ODMR) for the stable NV–13C systems are calculated, which can be utilized to identify them during their experimental search for use in emerging quantum technologies. It is shown that the positions of the 13C nuclear spin located on the NV center symmetry axis are completely stable (W0 = 0). The characteristics of eight ‘axial’ NV–13C systems are elucidated. The presence of additional ‘non-axial’ near-stable NV–13C spin systems also exhibiting very low flip-flop rates (W0 → 0) due to a high local symmetry of the spin density distribution resulting in vanishing the off-diagonal HFI matrix AKL elements for such systems is revealed for the first time. Spatially, these ‘non-axial’ stable NV–13C systems are located near the plane passing through the vacancy of the NV center and being perpendicular to the NV axis. Analysis of the available publications showed that apparently, some of the predicted stable NV–13C systems have already been observed experimentally. Методами компьютерной химии рассчитаны матрицы AKL, описывающие сверхтонкое взаимодействие (СТВ) электронного спина центра окраски «азот-вакансия» (NV-центра) в алмазе с ядерным спином атома 13С, который расположен в одном из возможных узлов решетки в пассивированном водородом углеродном кластере С510[NV]H252. Выполнен систематический анализ скоростей W0 переворотов ядерных спинов 13С, индуцируемых их анизотропным СТВ с электронным спином NV-центра. Показано, что в кластере имеются специфические позиции ядерного спина 13С, в которых он практически не испытывает таких переворотов вследствие малости недиагональных элементов в соответствующих матрицах AKL. Определено пространственное расположение найденных позиций стабильности в кластере относительно NV-центра и рассчитаны величины характерных расщеплений в спектрах оптически детектируемого магнитного резонанса (ОДМР) для стабильных систем NV–13C, по которым их можно идентифицировать в процессе их экспериментального поиска для использования в разрабатываемых квантовых технологиях. Показано, что полностью стабильными (W0 = 0) являются позиции ядерного спина, расположенные на оси симметрии NV-центра. Найдены характеристики восьми таких «осевых» систем NV–13C. Впервые обнаружено наличие в кластере дополнительных «неосевых» квазистабильных систем NV–13C, имеющих малые скорости переворотов (W0 .→0) спина 13С вследствие высокой локальной симметрии распределения спиновой плотности, обусловливающей малость недиагональных элементов матриц СТВ для таких систем. Пространственно «не осевые» стабильные системы NV–13C расположены в плоскости, проходящей через вакансию NV-центра перпендикулярно его оси. Выполненный анализ имеющихся литературных данных показал, что, по-видимому, некоторые из предсказанных стабильных систем NV–13C уже наблюдались экспериментально.

Non-flipping 13C spins near an NV center in diamond: hyperfine and spatial characteristics by density functional theory simulation of the C510[NV]H252 cluster

Single NV centers in diamond coupled by hyperfine interaction (hfi) to neighboring 13C nuclear spins are now widely used in emerging quantum technologies as elements of quantum memory adjusted to a nitrogen-vacancy (NV) center electron spin qubit. For nuclear spins with low flip-flop rate, single shot readout was demonstrated under ambient conditions. Here we report on a systematic search for such stable NV − 13C systems using density functional theory to simulate the hfi and spatial characteristics of all possible NV − 13C complexes in the H-terminated cluster C510[NV]-H252 hosting the NV center. Along with the expected stable ‘NV-axial−13 C’ systems wherein the 13C nuclear spin is located on the NV axis, we found for the first time new families of positions for the 13C nuclear spin exhibiting negligible hfi-induced flipping rates due to near-symmetric local spin density distribution.Spatially, these positions are located in the diamond bilayer passing through the vacancy of the NV center and being perpendicular to the NV axis. Analysis of available publications showed that, apparently, some of the predicted non-axial near-stable NV − 13C systems have already been observed experimentally. Aspecial experiment performed on one of these systems confirmed the prediction made