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.
- N. Basov, A. Prokhorov. J. Exp. Theor. Phys. 1, 185 (1955)
- J.P. Gordon, H.J. Zeiger, C.H. Townes. Phys. Rev., 99, 1264 (1955)
- C. Audoin, J. Vanier. J. Phys. E: Sci. Instrum. 9, 697 (1976)
- G. Makhov, C. Kikuchi, J. Lambe, R.W. Terhune. Phys. Rev. 109, 1399-1400 (1958)
- H.E.D. Scovil, G. Feher , H. Seidel. Phys. Rev. 105, 762 (1957)
- 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)
- 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
- A. Сигмен. Мазеры. --- M., Мир, 1966
- D.M. Arroo, N.McN. Alford, J.D. Breeze. Appl. Phys. Lett. 119, 140502 (2021);
- A. Barannik, N. Cherpak, A. Kirichenko, Y. Prokopenko, S. Vitusevich, and V. Yakovenko. Int. J. Microwave Wireless Technol. 9, 781-796 (2017)
- Г.М. Зверев, Ш.В. Марлов, Л.С. Корниенко, А.А. Маиенков, А.Ш. Прохоров. УФН, 77 61-108 (1962)
- J.H. Pace, D.F. Sampson, J.S. Thorp. Phys. Rev. Lett. 4, 18 (1960)
- H. Hsu, F.K. Tittel. Optical pumping of microwave masers. Proc. IEEE 51, 185-189 (1963)
- M. Oxborrow, J.D. Breeze, N.M. Alford. Nature 488, 353-356 (2012)
- 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)
- 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=
- 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)
- V.A. Soltamov, A.A. Soltamova, P.G. Baranov, I.I. Proskuryakov. Phys. Rev. Lett. 108, 226402 (2012)
- A. Jarmola, V.M. Acosta, K. Jensen, S. Chemerisov, D. Budker. Phys. Rev. Lett. 108, 197601 (2012)
- J.D. Breeze, E. Salvadori, J. Sathian, N. McN. Alford1, C.W.M. Kay. Nature 555, 493-496 (2018)
- 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)
- 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)
- 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)
- D. Simin, H. Kraus, A. Sperlich, T. Ohshima, G.V. Astakhov, V. Dyakonov. Phys. Rev. B 95, 161201(R) (2017)
- A. Gottscholl, M. Wagenhofer, V. Baianov, V. Dyakonov, A. Sperlich. arXiv:2312.08251 (2023)
- C.B. Rodriguez. arXiv:2308.00848 (2023)
- H. Wu, X. Xie, W. Ng, S. Mehanna, Y. Li, M. Attwood, M. Oxborrow. Phys. Rev. Appl. 14, 6, 064017 (2020)
- H. Wu, S. Mirkhanov, W. Ng, M. Oxborrow. Phys. Rev. Lett. 127, 5, 053604 (2020)
- Wern Ng, Yongqiang Wen, M. Attwood; D.C. Jones; M. Oxborrow, N. McN. Alford, D. M. Arroo. Appl. Phys. Lett. 124, 044004 (2024)
- H.J. von Bardeleben, J.L. Cantin, E. Rauls, U. Gerstmann. Phys. Rev. B 92, 064104 (2015)
- 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)
- 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)
- 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
- Yu.A. Vodakov, E.N. Mokhov, M.G. Ramm, A.D. Roenkov. Krist. Tech., 14, 729 (1979)
- 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).]
- 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)
- B.V. Yavkin, G.V. Mamin, S.B. Orlinskii. J. Magn. Reson. 262, 15 (2016)
- X.F. He, N.B. Manson, P.T.H. Fisk. Phys. Rev. B 47, 8809 (1993)
- 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
- T. Biktagirov, W.G. Schmidt, U. Gerstmann. Phys. Rev. Research 2, 022024(R) (2020).