NV-центр (англ. nitrogen-vacancy center) или азото-замещённая вакансия в алмазе — это один из многочисленных точечных дефектов алмаза: нарушение строения кристаллической решётки алмаза, возникающее при удалении атома углерода из узла решётки и связывании образовавшейся вакансии с атомом азота.
 Уникальность дефекта заключается в том, что его свойства практически аналогичны свойствам атома, будь тот «заморожен» в кристаллической решётке алмаза: электронные спины индивидуального центра легко манипулируются: светом; магнитным, электрическим и микроволновыми полями; — что позволяет записывать квантовую информацию (кубиты) на спине ядра центра. Такая манипуляция возможна даже при комнатной температуре; центр имеет продолжительное (достигающее нескольких миллисекунд) время хранения наведённой спиновой поляризации. В настоящее время — NV-центр может рассматриваться как базовый логический элемент будущего квантового процессора, необходимого для создания квантового компьютера, линий связи с квантовым протоколом безопасности и других применений спинтроники.
 NV-центр является дефектом кристаллической решётки алмаза. Этот дефект включает в себя вакансию решётки со связанным с ней атомом азота. Размер решётки составляет 3,56 ангстрема; ось симметрии проходит по линии, соединяющей вакансию и атом азота (изображена на иллюстрации как линия [111]).
 Из спектроскопических исследований известно, что этот дефект может иметь заряд: отрицательный (N-V−) или нейтральный (N-V0). В исследованиях использовались различные методы: оптическое поглощение, фотолюминесценция (ФЛ), электронный парамагнитный резонанс (ЭПР) и оптически-детектируемый магнитный резонанс (ОДМР), который можно считать гибридом ФЛ и ЭПР; ЭПР даёт наиболее подробную картину взаимодействия. Атом азота имеет пять валентных электронов: три из них — ковалентно связаны с близлежащими атомами углерода; два — с вакансией. Дополнительный электрон — центр захватывает со «стороны» (видимо, от другого атома азота); иногда центр теряет этот электрон, превращаясь в нейтральный.
 У негативно заряженного центра (N-V−) — электрон находится рядом с вакансией, образуя спиновую пару S=1 с одним из её валентных электронов. Как и в N-V0 — электроны вакансии обмениваются ролями, сохраняя полную тригональную симметрию. Состояние N-V− обычно и называют NV-центром. Электрон находится большую часть времени (90%) вблизи вакансии NV-центра.
 NV-центры, как правило, случайно разбросаны в теле алмаза — но ионная имплантация позволяет создавать центры в определённо заданном месте.
 Энергетическая структура N-V− центров изучалась теоретически и экспериментально. В экспериментах в основном применялся комбинированный способ возбуждения: метод электронного параметрического резонанса и лазерное излучение.
 Спиновый Гамильтониан центра, у которого в вакансии находится изотоп азота 
  
    
      
        
          N
          
            14
          
        
      
    
    {\displaystyle N^{14}}
  
, — имеет вид:
 
  
    
      
        H
        =
        D
        
          
            
              
                S
                ^
              
            
          
          
            z
          
          
            2
          
        
        +
        g
        β
        
          
            
              
                S
                ^
              
            
          
          
            z
          
        
        B
        +
        A
        
          
            
              I
              ^
            
          
        
        
          
            
              S
              ^
            
          
        
        +
        
          g
          
            n
          
        
        
          β
          
            n
          
        
        
          
            
              
                I
                ^
              
            
          
          
            z
          
        
        B
        +
        Q
        
          
            
              
                I
                ^
              
            
          
          
            z
          
          
            2
          
        
      
    
    {\displaystyle H=D{\hat {S}}_{z}^{2}+g\beta {\hat {S}}_{z}B+A{\hat {I}}{\hat {S}}+g_{n}\beta _{n}{\hat {I}}_{z}B+Q{\hat {I}}_{z}^{2}}
  

 …комментарий к которому приведён в таблице 1.
 Схема уровней — представлена на рисунке. Чтобы определить собственные состояния центра — его рассматривают как молекулу; в расчётах применяется метод линейной комбинации атомных орбиталей и используется теория групп, учитывающая симметрии: как алмазной кристаллической структуры, так и самого NV. Энергетические уровни помечены в соответствии с симметрией группы 
  
    
      
        
          C
          
            3
            V
          
        
      
    
    {\displaystyle C_{3V}}
  
, то есть: 
  
    
      
        
          A
          
            1
          
        
      
    
    {\displaystyle A_{1}}
  
, 
  
    
      
        
          A
          
            2
          
        
      
    
    {\displaystyle A_{2}}
  
 и 
  
    
      
        E
      
    
    {\displaystyle E}
  
.
 Числа «3» в ³A и «1» в 1A — представляют число спиновых состояний, разрешённых для ms: спиновую мультиплетность, лежащую от −S до S при полном числе 2S+1 возможных состояний (если S=1 — ms может принимать значения: −1, 0, 1). Уровень 1A — предсказан теорией, и играет важную роль в подавлении фотолюминесценции, — но прямого экспериментального наблюдения этого состояния пока не было…
 В отсутствие внешнего магнитного поля — электронные состояния (основное и возбуждённое) расщеплены магнитным взаимодействием между двумя неспаренными электронами N-V− центра: при параллельных спинах электронов (ms=±1) — их энергия больше, чем в случае с антипараллельными спинами (ms=0).
 Чем дальше отделены электроны — тем слабее взаимодействие D (приблизительно, D ~ 1/r³). Иными словами, меньшее расщепление возбуждённого состояния — означает большую удалённость друг от друга электронов. Когда N-V− находится во внешнем магнитном поле — оно не влияет ни на ms=0 состояния, ни на 1A состояние (из-за того, что S=0), но расщепляет ms=±1 уровни; если же магнитное поле сориентировано вдоль оси дефекта и его величина достигает 1027 гаусс (или 508 гаусс), то уровни ms=−1 и ms=0 в основном (или возбуждённом) состоянии имеют одинаковую энергию. При этом они сильно взаимодействуют через т. н. спиновую поляризацию, что очень сильно влияет на интенсивности: оптического поглощения и люминесценции этих уровней.
 Для того чтобы это понять — необходимо иметь в виду, что переходы между электронными состояниями происходят с сохранением полного спина. По этой причине, переходы ³E↔1A и 1A↔³A — безызлучательные и тушат люминесценцию, — тогда как переход ms = −1 ↔ 0 запрещён в отсутствие поля и становится разрешённым, когда магнитное поле перемешивает ms=−1 и ms=0 уровни основного состояния. Результатом является то, что интенсивность люминесценции можно сильно модулировать магнитным полем.
 Возбуждённое состояние ³E — дополнительно расщеплено, благодаря орбитальному вырождению и спин-орбитальному взаимодействию. Это расщепление может быть промодулировано внешним статическим полем: как электрическим, так и магнитным.
 Расстояние между уровнями 
  
    
      
        
          m
          
            s
          
        
        =
        0
      
    
    {\displaystyle m_{s}=0}
  
 и 
  
    
      
        
          m
          
            s
          
        
        =
        ±
        1
      
    
    {\displaystyle m_{s}=\pm 1}
  
 приходится на микроволновый диапазон (~2.88 ГГц). Облучая центр микроволновым полем, можно изменять населённость подуровней основного состояния — и тем самым модулировать интенсивность люминесценции. Эта техника называется методом электронного парамагнитного резонанса.
 Переход из основного триплетного состояния A³ в возбуждённое триплетное состояние Е³ имеет большую силу осциллятора: 0,12 (для сравнения: D1 линия Rb87 имеет 0.6956) — что позволяет легко детектировать этот переход оптическими методами. Хотя тонкая структура возбуждённого состояния сильно зависит от окружения центра, но известно, что переход из возбуждённого ms=0 (³E) в основное ms=0 (³A) состояние сохраняет спин состояния — тогда как переход из состояний ms=±1 (³E) в ms=0 (³A) происходит безызлучательным способом. Этот переход осуществляется в два этапа: через синглетное состояние 1A.
 Существует также дополнительное расщепление состояний ms=±1, являющееся результатом сверхтонкого взаимодействия между ядерным и электронным спинами. В итоге, спектр поглощения и люминесценции N-V− центра состоит приблизительно из дюжины узких линий разделённых на несколько МГц—ГГц. Интенсивность и положение этих линий могут быть промодулированы следующими способами:
 Микроволновый импульс когерентно возбуждает электронные спины центра; за состоянием электронных спинов следят по флуоресценции оптических переходов. Динамические эффекты весьма важны при создании квантовых компьютеров.
 Тонкий оптический спектр NV-центра определяется несколькими факторами:
 Изотопы 15N и 12C имеют ядерный спин равный ½ и 0, соответственно.
 Ширина спектра флуоресценции нулевой фононной линии 
  
    
      
        γ
        (
        T
        )
      
    
    {\displaystyle \gamma (T)}
  
 при температурах T < 10 K постоянна и равна 13 МГц. С повышением температуры — ширина растёт по закону: 
  
    
      
        
          γ
          (
          T
          )
          =
          2
          π
          ×
           
          16.2
          M
          H
          z
          +
          
            c
            
              2
            
          
          r
          
            T
            
              5
            
          
        
      
    
    {\displaystyle {\gamma (T)=2\pi \times ~16.2MHz+c_{2}rT^{5}}}
  
,
 где 
  
    
      
        
          
            c
            
              2
            
          
          =
          (
          9.2
          ±
          0.5
          )
          ×
          
            10
            
              −
              7
            
          
          
            K
            
              −
              5
            
          
        
      
    
    {\displaystyle {c_{2}=(9.2\pm 0.5)\times 10^{-7}K^{-5}}}
  
, и 
  
    
      
        
          r
          =
          (
          12.5
          n
          s
          
            )
            
              −
              1
            
          
        
      
    
    {\displaystyle {r=(12.5ns)^{-1}}}
  
. Такую зависимость объясняют перемешиванием спиновых состояний в возбуждённом состоянии 
  
    
      
        
          
            
            
              3
            
          
        
        E
      
    
    {\displaystyle {^{3}}E}
  
.
 
 Даже высокочистый природный и синтетический (IIa-типа) алмаз содержит небольшую концентрацию NV-центров. (Высокочистый синтетический алмаз изготавливают с помощью химического осаждения из паровой фазы (CVD)). Если же концентрация центров недостаточна, то образцы облучают и отжигают. Облучение ведут высокоэнергетическими частицами (10—80 кэВ); это может быть поток: электронов, протонов, нейтронов и гамма-частиц. NV−-центры создаются на глубине до 60 мкм. Интересно, что NV0 в основном залегают до 0.2 мкм глубин. Созданные вакансии при комнатной температуре малоподвижны, однако при повышении температуры (выше 800С) их подвижность значительно вырастает. Атом азота, внедрённый в решётку, захватывает одну из вакансий и создаёт с другой соседней вакансией NV−.
 Алмаз известен тем, что его решётка имеет внутренние напряжения, которые расщепляют, смещают и уширяют уровни NV-центра. Для регистрации узких линий (~10 MHz) на переходе 
  
    
      
        
          
          
            3
          
        
        A
        
          ⇔
          
            3
          
        
        E
      
    
    {\displaystyle ^{3}A\Leftrightarrow ^{3}E}
  
 нужно принимать особые меры к качеству кристалла. Для этого используют высоко-чистый природный алмаз или синтетически изготовленный (IIa-типа).
 Для исследования центров обычно применяют конфокальный сканирующий микроскоп, имеющий субмикронное разрешение (~250 нм).