六方金刚石（蓝丝黛尔石）中氮空位中心：一种新型纳米传感器的探索与量子传感潜力

来自国际研究团队的研究人员针对六方金刚石（蓝丝黛尔石）中缺陷中心的特性开展理论建模研究，通过ab initio方法系统分析了NV0和NV?色心的构型与性质，发现三种独特NV中心构型，其中一种为六方结构特有。研究证实所有衍生物具有热化学稳定性及独特光物理特性，预测基态精细结构分裂值（2.74 GHz/4.56 MHz），为量子传感和材料结构鉴定提供新方案。

　　

六方金刚石（又称蓝丝黛尔石）是一种奇特的碳同素异形体，其理论硬度超越传统立方金刚石，并具有更宽的带隙。由于其纯sp³杂化键合晶格结构，该材料被认为可容纳带隙内缺陷中心（色心）。本研究通过ab initio（第一性原理）建模方法，对六方金刚石纳米晶中的中性与带负电氮空位（Nitrogen-Vacancy, NV）中心——即NV⁰和NV^?——进行系统分析。

研究识别出三种不同的NV中心构型：其中两种类似于金刚石中的NV结构，另一种则为六方晶型所独有。类金刚石的NV系统包含三个对称等效且位于同一碳原子平面的中心，以及一个跨越两个碳平面、取代碳-碳键的缺陷。此外还存在一种NV构型，其中氮原子与空位均拥有四个最近邻碳原子，该构型的存在可作为判定蓝丝黛尔石六方结构的明确依据。

量子化学分析表明，所有衍生物均具有热化学稳定性，且各自具备独特的光物理性质、光谱特征和磁光学特性。通过假设六方金刚石中NV^?的基态特性与立方金刚石中的NV^?相近（但应变更大），研究人员预测其中两个中心的基态精细结构分裂值分别为2.74 GHz和4.56 MHz（立方金刚石对应值为2.87 GHz）。在蓝丝黛尔石中实现NV^?的光学探测磁共振（Optically Detected Magnetic Resonance, ODMR），将有望成为一种全新的碳基量子传感系统，并为解析六方金刚石的结构争议提供明确技术路径。