Photoionization of negatively charged NV centers in diamond: Theory and ab initio calculations

光离子化 钻石 原子物理学 物理 从头算量子化学方法 从头算 分子物理学 材料科学 量子力学 电离 离子 分子 复合材料
作者
Lukas Razinkovas,M. Maciaszek,Friedemann Reinhard,Marcus W. Doherty,Audrius Alkauskas
出处
期刊:Physical review [American Physical Society]
卷期号:104 (23) 被引量:43
标识
DOI:10.1103/physrevb.104.235301
摘要

We present ab-initio calculations of photoionization thresholds and cross sections of the negatively charged nitrogen-vacancy (NV) center in diamond from the ground $^{3}\!A_2$ and the excited $^{3}\!E$ states. We show that after the ionization from the $^{3}\!E$ level the NV center transitions into the metastable $^{4}\!A_2$ electronic state of the neutral defect. We reveal how spin polarization of $\mathrm{NV}^{-}$ gives rise to spin polarization of the $^{4}\!A_2$ state, providing an explanation of electron spin resonance experiments. We obtain smooth photoionization cross sections by employing dense $k$-point meshes for the Brillouin zone integration together with the band unfolding technique to rectify the distortions of the band structure induced by artificial periodicity of the supercell approach. Our calculations provide a comprehensive picture of photoionization mechanisms of $\mathrm{NV}^{-}$. They will be useful in interpreting and designing experiments on charge-state dynamics at NV centers. In particular, we offer a consistent explanation of recent results of spin-to-charge conversion of NV centers.
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