Synthetic diamond production is a key to the development of quantum metrology and quantum information applications of diamond. The major quantum sensor and qubit candidate in diamond is the nitrogen-vacancy (NV) color center. This lattice defect comes in four different crystallographic orientations leading to an intrinsic inhomogeneity among NV centers, which is undesirable in some applications. Here, we report a microwave plasma-assisted chemical vapor deposition diamond growth technique on (111)-oriented substrates, which yields perfect alignment (94% ± 2%) of as-grown NV centers along a single crystallographic direction. In addition, clear evidence is found that the majority (74% ± 4%) of the aligned NV centers were formed by the nitrogen being first included in the (111) growth surface and then followed by the formation of a neighboring vacancy on top. The achieved homogeneity of the grown NV centers will tremendously benefit quantum information and metrology applications.

1.
T. D.
Ladd
,
F.
Jelezko
,
R.
Laflamme
,
Y.
Nakamura
,
C.
Monroe
, and
J. L.
O'Brien
,
Nature
464
,
45
53
(
2010
).
2.
J.
Appel
,
P. J.
Windpassinger
,
D.
Oblak
,
U. B.
Hoff
,
N.
Kjærgaard
, and
E. S.
Polzik
,
Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A.
106
,
10960
(
2009
).
3.
M.
Gierling
,
P.
Schneeweiss
,
G.
Visanescu
,
P.
Federsel
,
M.
Häffner
,
D. P.
Kern
,
T. E.
Judd
,
A.
Günther
, and
J.
Fortágh
,
Nat. Nanotechnol.
6
,
446
(
2011
).
4.
F.
Jelezko
,
T.
Gaebel
,
I.
Popa
,
A.
Gruber
, and
J.
Wrachtrup
,
Phys. Rev. Lett.
92
,
076401
(
2004
).
5.
F.
Jelezko
,
T.
Gaebel
,
I.
Popa
,
M.
Domhan
,
A.
Gruber
, and
J.
Wrachtrup
,
Phys. Rev. Lett.
93
,
130501
(
2004
).
6.
A.
Gruber
,
A.
Drabenstedt
,
C.
Tietz
,
L.
Fleury
,
J.
Wrachtrup
, and
C.
vonBorczyskowski
,
Science
276
,
2012
(
1997
).
7.
M. V. G.
Dutt
,
L.
Childress
,
L.
Jiang
,
E.
Togan
,
J.
Maze
,
F.
Jelezko
,
A. S.
Zibrov
,
P. R.
Hemmer
, and
M. D.
Lukin
,
Science
316
,
1312
(
2007
).
8.
P.
Neumann
,
N.
Mizuochi
,
F.
Rempp
,
P.
Hemmer
,
H.
Watanabe
,
S.
Yamasaki
,
V.
Jacques
,
T.
Gaebel
,
F.
Jelezko
, and
J.
Wrachtrup
,
Science
320
,
1326
(
2008
).
9.
F.
Dolde
,
I.
Jakobi
,
B.
Naydenov
,
N.
Zhao
,
S.
Pezzagna
,
C.
Trautmann
,
J.
Meijer
,
P.
Neumann
,
F.
Jelezko
, and
J.
Wrachtrup
,
Nat. Phys.
9
,
139
(
2013
).
10.
F.
Shi
,
X.
Rong
,
N.
Xu
,
Y.
Wang
,
J.
Wu
,
B.
Chong
,
X.
Peng
,
J.
Kniepert
,
R.-S.
Schoenfeld
,
W.
Harneit
,
M.
Feng
, and
J.
Du
,
Phys. Rev. Lett.
105
,
040504
(
2010
).
11.
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
).
12.
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
455
,
648
(
2008
).
13.
J. R.
Maze
,
P. L.
Stanwix
,
J. S.
Hodges
,
S.
Hong
,
J. M.
Taylor
,
P.
Cappellaro
,
L.
Jiang
,
M. V. G.
Dutt
,
E.
Togan
,
A. S.
Zibrov
,
A.
Yacoby
,
R. L.
Walsworth
, and
M. D.
Lukin
,
Nature
455
,
644
(
2008
).
14.
D. M.
Toyli
,
C. F. d. l.
Casas
,
D. J.
Christle
,
V. V.
Dobrovitski
, and
D. D.
Awschalom
,
Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A.
110
,
8417
8421
(
2013
).
15.
G.
Kucsko
,
P. C.
Maurer
,
N. Y.
Yao
,
M.
Kubo
,
H. J.
Noh
,
P. K.
Lo
,
H.
Park
, and
M. D.
Lukin
,
Nature
500
,
54
(
2013
).
16.
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
).
17.
V.
Acosta
,
E.
Bauch
,
M.
Ledbetter
,
C.
Santori
,
K.-M.
Fu
,
P.
Barclay
,
R.
Beausoleil
,
H.
Linget
,
J.
Roch
,
F.
Treussart
,
S.
Chemerisov
,
W.
Gawlik
, and
D.
Budker
,
Phys. Rev. B
80
,
115202
(
2009
).
18.
S.
Steinert
,
F.
Ziem
,
L. T.
Hall
,
A.
Zappe
,
M.
Schweikert
,
N.
Götz
,
A.
Aird
,
G.
Balasubramanian
,
L.
Hollenberg
, and
J.
Wrachtrup
,
Nat. Commun.
4
,
1607
(
2013
).
19.
J. S.
Hodges
,
N. Y.
Yao
,
D.
Maclaurin
,
C.
Rastogi
,
M. D.
Lukin
, and
D.
Englund
,
Phys. Rev. A
87
,
032118
(
2013
).
20.
R.
Amsüss
,
C.
Koller
,
T.
Nöbauer
,
S.
Putz
,
S.
Rotter
,
K.
Sandner
,
S.
Schneider
,
M.
Schramböck
,
G.
Steinhauser
,
H.
Ritsch
,
J.
Schmiedmayer
, and
J.
Majer
,
Phys. Rev. Lett.
107
,
060502
(
2011
).
21.
Y.
Kubo
,
F. R.
Ong
,
P.
Bertet
,
D.
Vion
,
V.
Jacques
,
D.
Zheng
,
A.
Dréau
,
J.-F.
Roch
,
A.
Auffeves
,
F.
Jelezko
,
J.
Wrachtrup
,
M. F.
Barthe
,
P.
Bergonzo
, and
D.
Esteve
,
Phys. Rev. Lett.
105
,
140502
(
2010
).
22.
P.
Neumann
,
J.
Beck
,
M.
Steiner
,
F.
Rempp
,
H.
Fedder
,
P. R.
Hemmer
,
J.
Wrachtrup
, and
F.
Jelezko
,
Science
329
,
542
(
2010
).
23.
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
).
24.
F.
Dolde
,
M. W.
Doherty
,
J.
Michl
,
I.
Jakobi
,
B.
Naydenov
,
S.
Pezzagna
,
J.
Meijer
,
P.
Neumann
,
F.
Jelezko
,
N. B.
Manson
, and
J.
Wrachtrup
,
Phys. Rev. Lett.
112
,
097603
(
2014
).
25.
M. W.
Doherty
,
J.
Michl
,
F.
Dolde
,
I.
Jakobi
,
P.
Neumann
,
N. B.
Manson
, and
J.
Wrachtrup
, e-print arXiv:1402.4789.
26.
R. C.
Burns
,
V.
Cvetkovic
,
C. N.
Dodge
,
D. J. F.
Evans
,
M. -L. T.
Rooney
,
P. M.
Spear
, and
C. M.
Welbourn
,
J. Cryst. Growth
104
,
257
(
1990
).
27.
A. T.
Collins
,
J. Phys.: Condens. Matter
1
,
439
(
1989
).
28.
K.
Iakoubovskii
and
A. T.
Collins
,
J. Phys.: Condens. Matter
16
,
6897
(
2004
).
29.
K.
Ushizawa
,
K.
Watanabe
,
T.
Ando
,
I.
Sakaguchi
,
M.
Nishitani-Gamo
,
Y.
Sato
, and
H.
Kanda
,
Diamond Relat. Mater.
7
,
1719
(
1998
).
30.
U. F. S.
D'Haenens-Johansson
,
A. M.
Edmonds
,
B. L.
Green
,
M. E.
Newton
,
G.
Davies
,
P. M.
Martineau
,
R. U. A.
Khan
, and
D. J.
Twitchen
,
Phys. Rev. B
84
,
245208
(
2011
).
31.
A. M.
Edmonds
,
U. F. S.
D'Haenens-Johansson
,
R. J.
Cruddace
,
M. E.
Newton
,
K.-M. C.
Fu
,
C.
Santori
,
R. G.
Beausoleil
,
D. J.
Twitchen
, and
M. L.
Markham
,
Phys. Rev. B
86
,
035201
(
2012
).
32.
L. M.
Pham
,
N.
Bar-Gill
,
D.
Le Sage
,
C.
Belthangady
,
A.
Stacey
,
M.
Markham
,
D. J.
Twitchen
,
M. D.
Lukin
, and
R. L.
Walsworth
,
Phys. Rev. B
86
,
121202
(
2012
).
33.
A.
Tallaire
,
J.
Achard
,
A.
Boussadi
,
O.
Brinza
,
A.
Gicquel
,
I. N.
Kupriyanov
,
Y. N.
Palyanov
,
G.
Sakr
, and
J.
Barjon
,
Diamond Relat. Mater.
41
,
34
(
2014
).
34.
T.
Teraji
,
T.
Taniguchi
,
S.
Koizumi
,
K.
Watanabe
,
M.
Liao
,
Y.
Koide
, and
J.
Isoya
,
Jpn. J. Appl. Phys.
51
,
090104
(
2012
).
35.
T.
Teraji
,
T.
Taniguchi
,
S.
Koizumi
,
Y.
Koide
, and
J.
Isoya
,
Appl. Phys. Express
6
,
055601
(
2013
).
36.
G.
Balasubramanian
,
P.
Neumann
,
D.
Twitchen
,
M.
Markham
,
R.
Kolesov
,
N.
Mizuochi
,
J.
Isoya
,
J.
Achard
,
J.
Beck
,
J.
Tissler
,
V.
Jacques
,
P. R.
Hemmer
,
F.
Jelezko
, and
J.
Wrachtrup
,
Nature Mater.
8
,
383
(
2009
).
37.
N.
Aslam
,
G.
Waldherr
,
P.
Neumann
,
F.
Jelezko
, and
J.
Wrachtrup
,
New J. Phys.
15
,
013064
(
2013
).
38.
M. K.
Atumi
,
J. P.
Goss
,
P. R.
Briddon
, and
M. J.
Rayson
,
Phys. Rev. B
88
,
245301
(
2013
).
39.
K.
Jensen
,
N.
Leefer
,
A.
Jarmola
,
Y.
Dumeige
,
V. M.
Acosta
,
P.
Kehayias
,
B.
Patton
, and
D.
Budker
, e-print arXiv:1401.2438.
40.
E. R.
MacQuarrie
,
T. A.
Gosavi
,
N. R.
Jungwirth
,
S. A.
Bhave
, and
G. D.
Fuchs
,
Phys. Rev. Lett.
111
,
227602
(
2013
).
41.
K. V.
Kepesidis
,
S. D.
Bennett
,
S.
Portolan
,
M. D.
Lukin
, and
P.
Rabl
,
Phys. Rev. B
88
,
064105
(
2013
).
42.
K.
Ohashi
,
T.
Rosskopf
,
H.
Watanabe
,
M.
Loretz
,
Y.
Tao
,
R.
Hauert
,
S.
Tomizawa
,
T.
Ishikawa
,
J.
Ishi-Hayase
,
S.
Shikata
,
C. L.
Degen
, and
K. M.
Itoh
,
Nano Lett.
13
,
4733
(
2013
).
43.
S.
Steinert
,
F.
Dolde
,
P.
Neumann
,
A.
Aird
,
B.
Naydenov
,
G.
Balasubramanian
,
F.
Jelezko
, and
J.
Wrachtrup
,
Rev. Sci. Instrum.
81
,
043705
(
2010
).
44.
D.
Le Sage
,
K.
Arai
,
D. R.
Glenn
,
S. J.
DeVience
,
L. M.
Pham
,
L.
Rahn-Lee
,
M. D.
Lukin
,
A.
Yacoby
,
A.
Komeili
, and
R. L.
Walsworth
,
Nature
496
,
486
(
2013
).
You do not currently have access to this content.