Color centers in diamonds have shown promising potential for luminescent thermometry. So far, the nitrogen-vacancy (NV) color center has demonstrated a high sensitivity for optical temperature monitoring in biological systems. However, the NV center requires microwave excitation which can cause unwanted heating, and the NV is also sensitive to non-axial magnetic fields, both of which can result in inaccurate temperature measurements. To overcome this drawback, the silicon-vacancy (SiV) and germanium-vacancy (GeV) color centers in diamonds have recently been explored and have shown good optical temperature sensitivity owing to the temperature dependent wavelength optical zero-phonon line. Here, we report optical temperature measurements using the recently discovered tin-vacancy (SnV) color center in diamond and show sensitivity better than 0.2 K in 10 s integration time. Also, we compare the relative merits of SnV with respect to SiV and GeV for luminescent thermometry. These results illustrate that there are likely to be many future options for nanoscale thermometry using diamonds.
References
1.
D. G.
Clark
, M.
Brinkman
, and S. D.
Neville
, Biochem. J.
235
(2
), 337
–342
(1986
).2.
B. B.
Lowell
and B. M.
Spiegelman
, Nature
404
(6778
), 652
–660
(2000
).3.
J. M.
Yang
, H.
Yang
, and L.
Lin
, ACS Nano
5
(6
), 5067
–5071
(2011
).4.
L. M.
Maestro
, E. M.
Rodríguez
, F. S.
Rodríguez
, M. C.
la Cruz
, A.
Juarranz
, R.
Naccache
, F.
Vetrone
, D.
Jaque
, J. A.
Capobianco
, and J. G.
Solé
, Nano Lett.
10
(12
), 5109
–5115
(2010
).5.
X.
Michalet
, F. F.
Pinaud
, L. A.
Bentolila
, J. M.
Tsay
, S.
Doose
, J. J.
Li
, G.
Sundaresan
, A. M.
Wu
, S. S.
Gambhir
, and S.
Weiss
, Science (New York, N.Y.)
307
(5709
), 538
–544
(2005
).6.
M. A.
Walling
, J. A.
Novak
, and J. R. E.
Shepard
, Int. J. Mol. Sci.
10
(2
), 441
–491
(2009
).7.
J. S.
Donner
, S. A.
Thompson
, M. P.
Kreuzer
, G.
Baffou
, and R.
Quidant
, Nano Lett.
12
(4
), 2107
–2111
(2012
).8.
S.
Kiyonaka
, T.
Kajimoto
, R.
Sakaguchi
, D.
Shinmi
, M.
Omatsu-Kanbe
, H.
Matsuura
, H.
Imamura
, T.
Yoshizaki
, I.
Hamachi
, T.
Morii
, and Y.
Mori
, Nat. Methods
10
(12
), 1232
–1238
(2013
).9.
Y.
Koide
, Y.
Urano
, K.
Hanaoka
, W.
Piao
, M.
Kusakabe
, N.
Saito
, T.
Terai
, T.
Okabe
, and T.
Nagano
, J. Am. Chem. Soc.
134
(11
), 5029
–5031
(2012
).10.
J.
Yu
, X.
Zhang
, X.
Hao
, X.
Zhang
, M.
Zhou
, C.-S.
Lee
, and X.
Chen
, Biomaterials
35
(10
), 3356
–3364
(2014
).11.
X.
Zheng
, X.
Zhu
, Y.
Lu
, J.
Zhao
, W.
Feng
, G.
Jia
, F.
Wang
, F.
Li
, and D.
Jin
, Anal. Chem.
88
(7
), 3449
–3454
(2016
).12.
K.
Okabe
, N.
Inada
, C.
Gota
, Y.
Harada
, T.
Funatsu
, and S.
Uchiyama
, Nat. Commun.
3
, 705
(2012
).13.
O.
Zohar
, M.
Ikeda
, H.
Shinagawa
, H.
Inoue
, H.
Nakamura
, D.
Elbaum
, D. L.
Alkon
, and T.
Yoshioka
, Biophys. J.
74
(1
), 82
–89
(1998
).14.
G.
Kucsko
, P. C.
Maurer
, N. Y.
Yao
, M.
Kubo
, H. J.
Noh
, P. K.
Lo
, H.
Park
, and M. D.
Lukin
, Nature
500
(7460
), 54
–58
(2013
).15.
F.
Vetrone
, R.
Naccache
, A.
Zamarrón
, A.
Juarranz de la Fuente
, F.
Sanz-Rodríguez
, L.
Martinez Maestro
, E.
Martín Rodriguez
, D.
Jaque
, J.
García Solé
, and J. A.
Capobianco
, ACS Nano
4
(6
), 3254
–3258
(2010
).16.
Q.
Zhang
, N.
Iwakuma
, P.
Sharma
, B. M.
Moudgil
, C.
Wu
, J.
McNeill
, H.
Jiang
, and S. R.
Grobmyer
, Nanotechnology
20
(39
), 395102
(2009
).17.
U.
Resch-Genger
, M.
Grabolle
, S.
Cavaliere-Jaricot
, R.
Nitschke
, and T.
Nann
, Nat. Methods
5
(9
), 763
–775
(2008
).18.
M.
Alkahtani
, L.
Jiang
, R.
Brick
, P.
Hemmer
, and M.
Scully
, Opt. Lett.
42
(23
), 4812
–4815
(2017
).19.
M. H.
Alkahtani
, C. L.
Gomes
, and P. R.
Hemmer
, Opt. Lett.
42
(13
), 2451
–2454
(2017
).20.
G.
Jiang
, S.
Zhou
, X.
Wei
, Y.
Chen
, C.
Duan
, M.
Yin
, B.
Yang
, and W.
Cao
, RSC Adv.
6
(14
), 11795
–11801
(2016
).21.
X.
Zhu
, W.
Feng
, J.
Chang
, Y. W.
Tan
, J.
Li
, M.
Chen
, Y.
Sun
, and F.
Li
, Nat. Commun.
7
, 10437
(2016
).22.
J.-C.
Boyer
and F. C. J. M.
van Veggel
, Nanoscale
2
(8
), 1417
–1419
(2010
).23.
C. C.
Fu
, H. Y.
Lee
, K.
Chen
, T. S.
Lim
, H. Y.
Wu
, P. K.
Lin
, P. K.
Wei
, P. H.
Tsao
, H. C.
Chang
, and W.
Fann
, Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A.
104
(3
), 727
–732
(2007
).24.
Y. R.
Chang
, H. Y.
Lee
, K.
Chen
, C. C.
Chang
, D. S.
Tsai
, C. C.
Fu
, T. S.
Lim
, Y. K.
Tzeng
, C. Y.
Fang
, C. C.
Han
, H. C.
Chang
, and W.
Fann
, Nat. Nanotechnol.
3
(5
), 284
–288
(2008
).25.
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.
Hollenberg
, Nat. Nanotechnol.
6
(6
), 358
–363
(2011
).26.
J.
Wang
, F.
Feng
, J.
Zhang
, J.
Chen
, Z.
Zheng
, L.
Guo
, W.
Zhang
, X.
Song
, G.
Guo
, L.
Fan
, C.
Zou
, L.
Lou
, W.
Zhu
, and G.
Wang
, Phys. Rev. B
91
(15
), 155404
(2015
).27.
V. M.
Acosta
, E.
Bauch
, M. P.
Ledbetter
, A.
Waxman
, L. S.
Bouchard
, and D.
Budker
, Phys. Rev. Lett.
104
(7
), 070801
(2010
).28.
J. F.
Barry
, M. J.
Turner
, J. M.
Schloss
, D. R.
Glenn
, Y.
Song
, M. D.
Lukin
, H.
Park
, and R. L.
Walsworth
, Proc. Natl. Acad. Sci.
113
(49
), 14133
–14138
(2016
).29.
I.
Jakobi
, P.
Neumann
, Y.
Wang
, D. B. R.
Dasari
, F.
El Hallak
, M. A.
Bashir
, M.
Markham
, A.
Edmonds
, D.
Twitchen
, and J.
Wrachtrup
, Nat. Nanotechnol.
12
, 67
(2016
).30.
R.
Gao
, S.
Zhao
, X.
Jiang
, Y.
Sun
, S.
Zhao
, J.
Gao
, J.
Borleis
, S.
Willard
, M.
Tang
, H.
Cai
, Y.
Kamimura
, Y.
Huang
, J.
Jiang
, Z.
Huang
, A.
Mogilner
, T.
Pan
, P. N.
Devreotes
, and M.
Zhao
, Sci. Signaling
8
(378
), ra50
–ra50
(2015
).31.
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
).32.
C. T.
Nguyen
, R. E.
Evans
, A.
Sipahigil
, M. K.
Bhaskar
, D. D.
Sukachev
, V. N.
Agafonov
, V. A.
Davydov
, L. F.
Kulikova
, F.
Jelezko
, and M. D.
Lukin
, Appl. Phys. Lett.
112
(20
), 203102
(2018
).33.
P.-C.
Tsai
, C. P.
Epperla
, J.-S.
Huang
, O. Y.
Chen
, C.-C.
Wu
, and H.-C.
Chang
, Angew. Chem., Int. Ed.
56
(11
), 3025
–3030
(2017
).34.
T.
Plakhotnik
and D.
Gruber
, Phys. Chem. Chem. Phys.
12
(33
), 9751
–9756
(2010
).35.
T.
Plakhotnik
, H.
Aman
, and H. C.
Chang
, Nanotechnology
26
(24
), 245501
(2015
).36.
J.-W.
Fan
, I.
Cojocaru
, J.
Becker
, I. V.
Fedotov
, M. H. A.
Alkahtani
, A.
Alajlan
, S.
Blakley
, M.
Rezaee
, A.
Lyamkina
, Y. N.
Palyanov
, Y. M.
Borzdov
, Y.-P.
Yang
, A.
Zheltikov
, P.
Hemmer
, and A. V.
Akimov
, ACS Photonics
5
(3
), 765
–770
(2018
).37.
D. J.
Kay
, S.
Alp
, M. B.
Jan
, W. D.
Marcus
, M.
Mathias
, J. R.
Lachlan
, B. M.
Neil
, D. L.
Mikhail
, and J.
Fedor
, New J. Phys.
17
(4
), 043011
(2015
).38.
M. K.
Bhaskar
, D. D.
Sukachev
, A.
Sipahigil
, R. E.
Evans
, M. J.
Burek
, C. T.
Nguyen
, L. J.
Rogers
, P.
Siyushev
, M. H.
Metsch
, H.
Park
, F.
Jelezko
, M.
Lončar
, and M. D.
Lukin
, Phys. Rev. Lett.
118
(22
), 223603
(2017
).39.
T.
Iwasaki
, F.
Ishibashi
, Y.
Miyamoto
, Y.
Doi
, S.
Kobayashi
, T.
Miyazaki
, K.
Tahara
, K. D.
Jahnke
, L. J.
Rogers
, B.
Naydenov
, F.
Jelezko
, S.
Yamasaki
, S.
Nagamachi
, T.
Inubushi
, N.
Mizuochi
, and M.
Hatano
, Sci. Rep.
5
, 12882
(2015
).40.
H.
Stefan
, T.
Gergő
, D.
Andreas
, W.
Niklas
, T.
Tokuyuki
, I.
Junichi
, I.
Takayuki
, H.
Mutsuko
, J.
Fedor
, G.
Adam
, and K.
Alexander
, New J. Phys.
19
(6
), 063036
(2017
).41.
D.
Sovyk
, V.
Ralchenko
, M.
Komlenok
, A. A.
Khomich
, V.
Shershulin
, V.
Vorobyov
, I.
Vlasov
, V.
Konov
, and A.
Akimov
, Appl. Phys. A
118
(1
), 17
–21
(2015
).42.
D.
Sovyk
, V. G.
Ralchenko
, K.
Tukmakov
, V.
Shershulin
, A.
Khomich
, V.
Vorobyov
, I. I.
Vlasov
, and A.
Akimov
, Opt. Mater.
61
, 25
(2016
).43.
Y. N.
Palyanov
, I. N.
Kupriyanov
, Y. M.
Borzdov
, A. F.
Khokhryakov
, and N. V.
Surovtsev
, Cryst. Growth Des.
16
(6
), 3510
–3518
(2016
).44.
Y. N.
Palyanov
, I. N.
Kupriyanov
, Y. M.
Borzdov
, and N. V.
Surovtsev
, Sci. Rep.
5
, 14789
(2015
).45.
T.
Iwasaki
, Y.
Miyamoto
, T.
Taniguchi
, P.
Siyushev
, M. H.
Metsch
, F.
Jelezko
, and M.
Hatano
, Phys. Rev. Lett.
119
(25
), 253601
(2017
).© 2018 Author(s).
2018
Author(s)
You do not currently have access to this content.
