Вышедшие номера
NV--центры в алмазе и карбиде кремния как основа мазеров, работающих при комнатной температуре
The Ministry of Science and Higher Education of the Russian Federation, № 075-15-2024-556
Успенская Ю.А.1, Гурин А.С.1, Учаев М.В.1, Бундакова А.П.1, Музафарова М.В.1, Мохов Е.Н.1, Нагалюк С.С.1, Солтамов В.А.1, Баранов П.Г.1, Бабунц Р.А.1, Килин С.Я.2
1Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе РАН, Санкт-Петербург, Россия
2Национальный исследовательский ядерный университет "МИФИ", Москва, Россия
Email: yulia.uspenskaya@mail.ioffe.ru
Поступила в редакцию: 20 августа 2025 г.
В окончательной редакции: 20 августа 2025 г.
Принята к печати: 23 августа 2025 г.
Выставление онлайн: 21 октября 2025 г.

Успешная реализация когерентного микроволнового усиления (мазерного эффекта) при комнатной температуре (300 K) на основе оптически выстроенных триплетных спиновых подуровней отрицательно заряженных азотно-вакансионных центров (NV-) в алмазе ознаменовала новую веху в развитии твердотельных мазеров. В настоящей работе представлен сравнительный анализ спиново-оптических свойств NV--центров в алмазе и NV--центров в карбиде кремния (SiC) с пониженным содержанием магнитного изотопа 29Si (I=1/2), с точки зрения перспективности использования последнего для создания мазеров, работающих при комнатной температуре. Продемонстрировано сходство механизмов оптической накачки, формирующей инверсную населенность основного триплетного состояния в обеих системах. Вместе с тем времена поперечной спиновой релаксации T2*~1.5 μs для NV--центров в изотопно-модифицированном 28SiC существенно превышают соответствующие значения для алмаза (T2*~0.3 μs). При этом времена продольной релаксации остаются сопоставимыми с требованиями поддержания инверсной населенности: порядка 1.5 ms для NV- в алмазе и 100 μs для NV- в 28SiC. Сочетание возможности выращивания крупных монокристаллов SiC и высокой допустимой концентрации активных центров открывает перспективы для создания масштабируемой и технологически эффективной платформы для твердотельных мазеров, работающих при комнатной температуре. Ключевые слова: мазер, электронный парамагнитный резонанс, алмаз, карбид кремния, азотно-вакансионный дефект.
  1. N. Basov, A. Prokhorov. J. Exp. Theor. Phys. 1, 185 (1955)
  2. J.P. Gordon, H.J. Zeiger, C.H. Townes. Phys. Rev., 99, 1264 (1955)
  3. C. Audoin, J. Vanier. J. Phys. E: Sci. Instrum. 9, 697 (1976)
  4. G. Makhov, C. Kikuchi, J. Lambe, R.W. Terhune. Phys. Rev. 109, 1399-1400 (1958)
  5. H.E.D. Scovil, G. Feher , H. Seidel. Phys. Rev. 105, 762 (1957)
  6. R.C. Clauss, J.S. Shell. Ruby masers. In Low-Noise Systems in the Deep Space Network (ed. Reid, M.S.) (Deep Space Communication and Navigation Series, Jet Propulsion Laboratory, Caltech, 2008)
  7. R. Forward, F. Goodwin, J. Kiefer. "Application of a solid-state ruby maser to an X-band radar system," in WESCON/59 Conference Record (IEEE, 1959), Vol. 3, pp. 119-125
  8. A. Сигмен. Мазеры. --- M., Мир, 1966
  9. D.M. Arroo, N.McN. Alford, J.D. Breeze. Appl. Phys. Lett. 119, 140502 (2021);
  10. A. Barannik, N. Cherpak, A. Kirichenko, Y. Prokopenko, S. Vitusevich, and V. Yakovenko. Int. J. Microwave Wireless Technol. 9, 781-796 (2017)
  11. Г.М. Зверев, Ш.В. Марлов, Л.С. Корниенко, А.А. Маиенков, А.Ш. Прохоров. УФН,  77 61-108 (1962)
  12. J.H. Pace, D.F. Sampson, J.S. Thorp. Phys. Rev. Lett.   4, 18 (1960)
  13. H. Hsu, F.K. Tittel. Optical pumping of microwave masers. Proc. IEEE 51, 185-189 (1963)
  14. M. Oxborrow, J.D. Breeze, N.M. Alford. Nature 488, 353-356 (2012)
  15. A. Mena, S.K. Mann, A. Cowley-Semple, E. Bryan, S. Heutz, D.R. McCamey, M. Attwood,  S.L. Bayliss. Phys. Rev. Lett.  133, 120801 (2024)
  16. J. Loubser, J. Van Wyk. "Optical spin-polarisation in a triplet state in irradiated and annealed type 1b diamonds", Diamond Res. 1977, 11-14. ≤fteqnstyle=
  17. H. Kraus, V. Soltamov, D. Riedel, S. VC-7.5ptath, F. Fuchs, A. Sperlich, P. Baranov, V. Dyakonov, G. Astakhov. Nat. Phys. 10, 157-162 (2014)
  18. V.A. Soltamov, A.A. Soltamova, P.G. Baranov, I.I. Proskuryakov. Phys. Rev. Lett. 108, 226402 (2012)
  19. A. Jarmola, V.M. Acosta, K. Jensen, S. Chemerisov, D. Budker. Phys. Rev. Lett. 108, 197601 (2012)
  20. J.D. Breeze, E. Salvadori, J. Sathian, N. McN. Alford1, C.W.M. Kay. Nature  555, 493-496 (2018)
  21. V.M. Acosta, E. Bauch, M.P. Ledbetter, C. Santori, K.-M.C. Fu, P.E. Barclay, R.G. Beausoleil, H. Linget, J.F. Roch, F. Treussart, S. Chemerisov, W. Gawlik, D. Budker. Phys. Rev. B  80, 115202 (2009)
  22. C. Kasper, D. Klenkert, Z. Shang, D. Simin, A. Gottscholl, A. Sperlich, H. Kraus, C. Schneider, S. Zhou, M. Trupke, W. Kada, T. Ohshima, V. Dyakonov,1 V. Astakhov. Phys. Rev. Applied  13, 044054 (2020)
  23. V.A. Soltamov, B.V. Yavkin, A.N. Anisimov, H. Singh, A.P. Bundakova, G.V. Mamin, S.B. Orlinskii, E.N. Mokhov, D. Suter, P.G. Baranov. Phys. Rev. B  103, 195201 (2021)
  24. D. Simin, H. Kraus, A. Sperlich, T. Ohshima, G.V. Astakhov, V. Dyakonov. Phys. Rev. B  95, 161201(R) (2017)
  25. A. Gottscholl, M. Wagenhofer, V. Baianov, V. Dyakonov, A. Sperlich. arXiv:2312.08251 (2023)
  26. C.B. Rodriguez. arXiv:2308.00848 (2023)
  27. H. Wu, X. Xie, W. Ng, S. Mehanna, Y. Li, M. Attwood, M. Oxborrow. Phys. Rev. Appl. 14, 6, 064017 (2020)
  28. H. Wu, S. Mirkhanov, W. Ng, M. Oxborrow. Phys. Rev. Lett. 127, 5, 053604 (2020)
  29. Wern Ng, Yongqiang Wen, M. Attwood; D.C. Jones; M. Oxborrow, N. McN. Alford, D. M. Arroo. Appl. Phys. Lett.  124, 044004 (2024)
  30. H.J. von Bardeleben, J.L. Cantin, E. Rauls, U. Gerstmann. Phys. Rev. B 92, 064104 (2015)
  31. Kh. Khazen, H.J. von Bardeleben, S.A. Zargaleh, J.L. Cantin,1 Mu Zhao, W. Gao, T. Biktagirov, U. Gerstmann. Phys. Rev. B 100, 205202 (2019)
  32. F.F. Murzakhanov, M.A. Sadovnikova, G.V. Mamin, S.S. Nagalyuk, H.J. von Bardeleben, W.G. Schmidt, T. Biktagirov, U. Gerstmann, V.A. Soltamov. J. Appl. Phys. 134, 123906 (2023)
  33. Патент РФ 2523744. Активный материал для мазера с оптической накачкой и мазер с оптической накачкой / П.Г. Баранов, Р.А. Бабунц, А.А. Солтамова, В.А. Солтамов, А.П. Бундакова. Заявл. 24.08.2012. Опубл. 20.07.2014
  34. Yu.A. Vodakov, E.N. Mokhov, M.G. Ramm, A.D. Roenkov. Krist. Tech., 14, 729 (1979)
  35. Е.Н. Мохов, С.С. Нагалюк, О.П. Казарова, С.И. Дорожкин, В.А. Солтамов. ФТТ 67, 1, 114 (2025). [E.N. Mokhov, S.S. Nagalyuk, O.P. Kazarova, S.I. Dorozhkin, V.A. Soltamov. Phys. Sol. St. 67,  1,  114-120 (2025).] 
  36. F.F. Murzakhanov, D.V. Shurtakova, E.I. Oleynikova, G.V. Mamin, M.A. Sadovnikova, O.P. Kazarova, E.N. Mokhov, M.R. Gafurov, V.A. Soltamov. Appl. Magn. Reson.  55, 1175-1182 (2024)
  37. B.V. Yavkin, G.V. Mamin, S.B. Orlinskii. J. Magn. Reson. 262, 15 (2016)
  38. X.F. He, N.B. Manson, P.T.H. Fisk. Phys. Rev. B 47, 8809 (1993)
  39. L.R. Latypova, I.N. Gracheva, D.V. Shurtakova, F.F. Murzakhanov, M.A. Sadovnikova, G.V. Mamin, M.R. Gafurov. J. Phys. Chem. C 2024, 128, 43, 18559-1856
  40. T. Biktagirov, W.G. Schmidt, U. Gerstmann. Phys. Rev. Research 2, 022024(R) (2020).