Nanoscale detection of a single fundamental charge in ambient conditions using the NV - Center in diamond

Physical Review Letters

Volumn 112, Issue 9, 2014, Pages

  Dolde, Florian ^a   Doherty, Marcus W ^b   Michl, Julia ^a   Jakobi, Ingmar ^a   Naydenov, Boris ^c   Pezzagna, Sebastien ^d   Meijer, Jan ^d   Neumann, Philipp ^a   Jelezko, Fedor ^c   Manson, Neil B ^b   Wrachtrup, Jörg ^a  

^a UNIVERSITY OF STUTTGART   (Germany)

^b AUSTRALIAN NATIONAL UNIVERSITY   (Australia)

^c UNIVERSITY OF ULM   (Germany)

^d UNIVERSITY OF LEIPZIG   (Germany)

Author keywords

[No Author keywords available]

Indexed keywords

AMBIENT CONDITIONS; CHARGE DETECTION; CHARGE DYNAMICS; CHARGE STATE; NANOSCALE DETECTION; NITROGEN VACANCIES; OPTICAL SWITCHING; SINGLE ELECTRON;

ELECTRIC FIELDS;

OPTICAL RESONATORS;

EID: 84897583777     PISSN: 00319007     EISSN: 10797114     Source Type: Journal    
DOI: 10.1103/PhysRevLett.112.097603     Document Type: Article

References (51)

1. M. J. Yoo, T. A. Fulton, H. F. Hess, R. L. Willett, L. N. Dunkleberger, R. J. Chichester, L. N. Pfeiffer, and K. W. West, Science 276, 579 (1997). SCIEAS 0036-8075 10.1126/science.276.5312.579 (Pubitemid 27193679)
2. J. Martin, N. Akerman, G. Ulbricht, T. Lohmann, J. H. Smet, K. von Klitzing, and A. Yacoby, Nat. Phys. 4, 144 (2008). NPAHAX 1745-2473 10.1038/nphys781
3. C. Schonenberger and S. F. Alvarado, Phys. Rev. Lett. 65, 3162 (1990). PRLTAO 0031-9007 10.1103/PhysRevLett.65.3162
4. M. H. Devoret and R. J. Schoelkopf, Nature (London) 406, 1039 (2000). NATUAS 0028-0836 10.1038/35023253
5. J. M. Elzerman, R. Hanson, L. H. Willems van Beveren, B. Witkamp, L. M. K. Vandersypen, and L. P. Kouwenhoven, Nature (London) 430, 431 (2004). NATUAS 0028-0836 10.1038/nature02693 (Pubitemid 38987899)
6. F. Patolsky, G. Zheng, and C. M. Lieber, Nat. Protoc. 1 1711 (2006). 1754-2189 10.1038/nprot.2006.227 (Pubitemid 46773292)
7. Y. Cui, Q. Wei, H. Park, and C. M. Lieber, Science 293, 1289 (2001). SCIEAS 0036-8075 10.1126/science.1062711 (Pubitemid 32777412)
8. C. C. Williams, J. Slinkman, W. P. Hough, and H. K. Wickramasinghe, Appl. Phys. Lett. 55 1662 (1989). APPLAB 0003-6951 10.1063/1.102312
9. A. K. Henning, T. Hochwitz, J. Slinkman, J. Never, S. Hoffmann, P. Kaszuba, and C. Daghlian, J. Appl. Phys. 77, 1888 (1995). JAPIAU 0021-8979 10.1063/1.358819
10. Y. Martin, D. W. Abraham, and H. K. Wickramasignhe, Appl. Phys. Lett. 52, 1103 (1988). APPLAB 0003-6951 10.1063/1.99224
11. A. N. Cleland and M. L. Roukes, Nature (London) 392, 160 (1998). NATUAS 0028-0836 10.1038/32373 (Pubitemid 28162783)
12. J. S. Bunch, A. M. van der Zande, S. S. Verbridge, I. W. Frank, D. M. Tanenbaum, J. M. Parpia, H. G. Craighead, and P. L. McEuen, Science 315, 490 (2007). SCIEAS 0036-8075 10.1126/science.1136836 (Pubitemid 46178391)
13. J. Salfi, I. G. Savelyev, M. Blumin, S. V. Nair, and H. E. Ruda, Nat. Nanotechnol. 5, 737 (2010). NNAABX 1748-3387 10.1038/nnano.2010.180
14. J. Lee, Y. Zhu, and A. Seshia, J. Micromech. Microeng. 18, 025033 (2008). JMMIEZ 0960-1317 10.1088/0960-1317/18/2/025033 (Pubitemid 351591278)
15. F. Dolde, H. Fedder, M. W. Doherty, T. Nöbauer, F. Rempp, G. Balasubramanian, T. Wolf, F. Reinhard, L. C. L. Hollenberg, F. Jelezko, and J. Wrachtrup, Nat. Phys. 7, 459 (2011). NPAHAX 1745-2473 10.1038/nphys1969
16. 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, and J. Wrachtrup, Nature (London) 455, 648 (2008). NATUAS 0028-0836 10.1038/nature07278
17. M. S. Grinolds, S. Hong, P. Maletinsky, L. Luan, M. D. Lukin, R. L. Walsworth, and A. Yacoby, Nat. Phys. 9, 215 (2013). NPAHAX 1745-2473 10.1038/nphys2543
18. G. Waldherr., J. Beck, P. Neumann, R. S. Said, M. Nitsche, M. L. Markham, D. J. Twitchen, J. Twamley, F. Jelezko, and J. Wrachtrup, Nat. Nanotechnol. 7, 105 (2012). NNAABX 1748-3387 10.1038/nnano.2011.224
19. T. Staudacher, F. Shi, S. Pezzagna, J. Meijer, J. Du, C. A. Meriles, F. Reinhard, and J. Wrachtrup, Science 339, 561 (2013). SCIEAS 0036-8075 10.1126/science.1231675
20. H. J. Mamin, M. Kim, M. H. Sherwood, C. T. Rettner, K. Ohno, D. D. Awschalom, and D. Rugar, Science 339, 557 (2013). SCIEAS 0036-8075 10.1126/science.1231540
21. D. M. Toyli, C. F. de las Casas, D. J. Christle, V. V. Dobrovitski, and D. D. Awschalom, Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 110, 8417 (2013). PNASA6 0027-8424 10.1073/pnas.1306825110
22. P. Neumann, I. Jakobi, F. Dolde, C. Burk, R. Reuter, G. Waldherr, J. Honert, T. Wolf, A. Brunner, J. H. Shim, D. Suter, H. Sumiya, J. Isoya, and J. Wrachtrup, Nano Lett. 13, 2738 (2013). NALEFD 1530-6984 10.1021/nl401216y
23. G. Kucsko, P. C. Maurer, N. Y. Yao, M. Kubo, H. J. Noh, P. K. Lo, H. Park, and M. D. Lukin, Nature (London) 500, 54 (2013). NATUAS 0028-0836 10.1038/nature12373
24. F. Dolde, I. Jakobi, B. Naydenov, N. Zhao, S. Pezzagna, C. Trautman, J. Meijer, P. Neumann, F. Jelezko, and J. Wrachtrup, Nat. Phys. 9, 139 (2013). NPAHAX 1745-2473 10.1038/nphys2545
25. H. Bernien, B. Hensen, W. Pfaff, G. Koolstra, M. S. Blok, L. Robledo, T. H. Taminiau, M. Markham, D. J. Twitchen, L. Childress, and R. Hanson, Nature (London) 497, 86 (2013). NATUAS 0028-0836 10.1038/nature12016
26. L. P. McGuinness, Y. Yan, A. Stacey, D. A. Simpson, L. T. Hall, D. Maclaurin, S. Prawer, P. Mulvaney, J. Wrachtrup, F. Caruso, R. E. Scholten, and L. C. L. Hollenberg, Nat. Nanotechnol. 6, 358 (2011). NNAABX 1748-3387 10.1038/nnano.2011.64
27. D. M. Toyli, D. J. Christle, A. Alkauskas, B. B. Buckley, C. G. Van de Walle, and D. D. Awschalom, Phys. Rev. X 2, 031001 (2012). PRXHAE 2160-3308 10.1103/PhysRevX.2.031001
28. M. W. Doherty, V. V. Struzhkin, D. A. Simpson, L. P. McGuinness, Y. Meng, A. Stacey, T. J. Karle, R. J. Hemley, N. B. Manson, L. C. L. Hollenberg, and S. Prawer, [Phys. Rev. Lett. (to be published)].
29. A. Gruber, A. Drabenstedt, C. Tietz, L. Fleury, J. Wrachtrup, and C. von Borczyskowski, Science 276, 2012 (1997). SCIEAS 0036-8075 10.1126/science.276. 5321.2012 (Pubitemid 27443599)
30. M. W. Doherty, N. B. Manson, P. Delaney, F. Jelezko, and L. C. L. Hollenberg, Phys. Rep. 528, 1 (2013). PRPLCM 0370-1573 10.1016/j.physrep.2013. 02.001
31. M. W. Doherty, F. Dolde, H. Fedder, F. Jelezko, J. Wrachtrup, N. B. Manson, and L. C. L. Hollenberg, Phys. Rev. B 85, 205203 (2012). PRBMDO 1098-0121 10.1103/PhysRevB.85.205203
32. E. van Oort and M. Glasbeek, Chem. Phys. Lett. 168, 529 (1990). CHPLBC 0009-2614 10.1016/0009-2614(90)85665-Y
33. See Supplemental Material at http://link.aps.org/supplemental/10.1103/ PhysRevLett.112.097603 for experimental and theoretical details.
34. S. Felton, A. M. Edmonds, M. E. Newton, P. M. Martineau, D. Fisher, D. J. Twitchen, and J. M. Baker, Phys. Rev. B 79, 075203 (2009). PRBMDO 1098-0121 10.1103/PhysRevB.79.075203
35. J. H. N. Loubser and J. A. van Wyk, Rep. Prog. Phys. 41, 1201 (1978). RPPHAG 0034-4885 10.1088/0034-4885/41/8/002
36. M. V. Hauf, B. Grotz, B. Naydenov, M. Dankerl, S. Pezzagna, J. Meijer, F. Jelezko, J. Wrachtrup, M. Stutzmann, F. Reinhard, and J. A. Garrido, Phys. Rev. B 83, 081304(R) (2011). PRBMDO 1098-0121 10.1103/PhysRevB.83.081304
37. B. Grotz., M. V. Hauf, M. Dankerl, B. Naydenov, S. Pezzagna, J. Meijer, F. Jelezko, J. Wrachtrup, M. Stutzmann, F. Reinhard, and J. A. Garrido, Nat. Commun. 3, 729 (2012). NCAOBW 2041-1723 10.1038/ncomms1729
38. K. Y. Han, S. K. Kim, C. Eggeling, and S. W. Hell, Nano Lett. 10, 3199 (2010). NALEFD 1530-6984 10.1021/nl102156m
39. G. Waldherr, J. Beck, M. Steiner, P. Neumann, A. Gali, Th. Frauenheim, F. Jelezko, and J. Wrachtrup, Phys. Rev. Lett. 106, 157601 (2011). PRLTAO 0031-9007 10.1103/PhysRevLett.106.157601
40. K. Beha, A. Batalov, N. B. Manson, R. Bratschitsch, and A. Leitenstorfer, Phys. Rev. Lett. 109, 097404 (2012). PRLTAO 0031-9007 10.1103/PhysRevLett.109. 097404
41. K. Y. Han, D. Wildanger, E. Rittweger, J. Meijer, S. Pezzagna, S. W. Hell, and C. Eggeling, New J. Phys. 14, 123002 (2012). NJOPFM 1367-2630 10.1088/1367-2630/14/12/123002
42. N. Aslam, G. Waldherr, P. Neumann, F. Jelezko, and J. Wrachtrup, New J. Phys. 15, 013064 (2013). NJOPFM 1367-2630 10.1088/1367-2630/15/1/013064
43. N. B. Manson and J. P. Harrison, Diam. Relat. Mater. 14, 1705 (2005). DRMTE3 0925-9635 10.1016/j.diamond.2005.06.027 (Pubitemid 41229972)
44. Y. Mita, Phys. Rev. B 53, 11 360 (1996). PRBMDO 0163-1829 10.1103/PhysRevB.53.11360
45. A. Gali, Phys. Rev. B 79, 235210 (2009). PRBMDO 1098-0121 10.1103/PhysRevB.79.235210
46. J. R. Weber, W. F. Koehl, J. B. Varley, A. Janotti, B. B. Buckley, C. G. Van de Walle, and D. D. Awschalom, Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 107, 8513 (2010). PNASA6 0027-8424 10.1073/pnas.1003052107
47. A. Ranjbar, M. Babamoradi, M. Heidari Saani, M. A. Vesaghi, K. Esfarjani, and Y. Kawazoe, Phys. Rev. B 84, 165212 (2011). PRBMDO 1098-0121 10.1103/PhysRevB.84.165212
48. S. Pezzagna, D. Rogalla, H.-W. Becker, I. Jakobi, F. Dolde, B. Naydenov, J. Wrachtrup, F. Jelezko, C. Trautmann, and J. Meijer, Phys. Status Solidi A 208, 2017 (2011). PSSABA 1862-6300 10.1002/pssa.201100455
49. T. Yamamoto, C. Müller, L. P. McGuinness, T. Teraji, B. Naydenov, S. Onoda, T. Ohshima, J. Wrachtrup, F. Jelezko, and J. Isoya, Phys. Rev. B 88, 201201 (2013). PRBMDO 1098-0121 10.1103/PhysRevB.88.201201
50. 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, and M. D. Lukin, Science 336, 1283 (2012). SCIEAS 0036-8075 10.1126/science.1220513
51. P. Neumann, J. Beck, M. Steiner, F. Rempp, H. Fedder, P. R. Hemmer, J. Wrachtrup, and F. Jelezko, Science 329, 542 (2010). SCIEAS 0036-8075 10.1126/science.1189075