[論文レビュー] Floquet prethermalization with lifetime exceeding 90s in a bulk hyperpolarized solid

William Beatrez, Otto Janes+10 more|arXiv (Cornell University)|Apr 5, 2021

Atomic and Subatomic Physics Research参考文献 59被引用数 59

ひとこと要約

本研究では、室温下のバルク超極化13Cダイヤモンド固体において、Floquet前熱化を実証した。横磁気共鳴時間T′₂ ≈ 90.9秒を達成し、自然な自由誘導減衰時間T₂* ≈ 1.5 msと比較して60,000倍以上も長くなった。パulsedスピンロック駆動と窒素・バケーション（NV）中心を用いた光学的超極化により、573秒にわたって継続的なスピン観測を実施し、長寿命の前熱化プラトーを維持した。これにより、4つの異なる領域にわたる熱化ダイナミクスの高信ずみ比観測が可能になった。

ABSTRACT

We report the observation of long-lived Floquet prethermal states in a bulk solid composed of dipolar-coupled $^{13}$C nuclei in diamond at room temperature. For precessing nuclear spins prepared in an initial transverse state, we demonstrate pulsed spin-lock Floquet control that prevents their decay over multiple-minute long periods. We observe Floquet prethermal lifetimes $T_2'\approx$90.9s, extended >60,000-fold over the nuclear free induction decay times. The spins themselves are continuously interrogated for $\sim$10min, corresponding to the application of $\approx$5.8M control pulses. The $^{13}$C nuclei are optically hyperpolarized by lattice Nitrogen Vacancy (NV) centers; the combination of hyperpolarization and continuous spin readout yields significant signal-to-noise in the measurements. This allows probing the Floquet thermalization dynamics with unprecedented clarity. We identify four characteristic regimes of the thermalization process, discerning short-time transient processes leading to the prethermal plateau, and long-time system heating towards infinite temperature. This work points to new opportunities possible via Floquet control in networks of dilute, randomly distributed, low-sensitivity nuclei. In particular, the combination of minutes-long prethermal lifetimes and continuous spin interrogation opens avenues for quantum sensors constructed from hyperpolarized Floquet prethermal nuclei.

研究の動機と目的

• 長寿命の前熱状態を、長寿命のスピンコherーランスを持つバルク、室温下の固体で達成・維持すること。
• 双極子結合による核スピン系におけるスピンデコherenceの本質的制限を克服すること。
• 駆動された多体系における非平衡量子ダイナミクスの高精度で継続的なプローブを可能にすること。
• 超極化・希釈的・低γ核を用いた、耐障害性の高い量子制御およびセンシング応用の可能性を検討すること。

提案手法

• 周期的π/2パルスを繰り返し、反復周期が約10 kHz（τ ≈ 99.28 μs）となるpulsedスピンロックFloquet駆動を用い、横スピンコherーランスを安定化させた。
• 窒素・バケーション（NV）中心を用いた光学的超極化により、13C核スピン極化を熱平衡状態の223倍に増幅した。
• 1ナノ秒の時間分解能を有する継続的イン・サイトNMR読み取りを実装し、1パルスサイクルごとに1データポイントを取得（tacq = 2–32 μs）。
• 各取得ウィンドウに対してフーリエ変換を適用し、混合周波数（20 MHz）における進動信号を抽出し、減衰曲線再構築の基盤を形成した。
• 信号対雑音比を向上させ、減衰データ内の高周波数雑音を低減するために、移動平均フィルタリング（0.1秒ウィンドウ）を適用した。
• パルスフラップ角（θ）とパルス間隔（τ）を変化させ、駆動パラメータと系応答に及ぼす熱化ダイナミクスへの依存性を調査した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 希釈的・低ギロマグネティック比13C核を有するバルク、室温下固体において、Floquet前熱化を安定化させることは可能か？
• RQ2 周期的駆動を受けた超極化スピン系における熱化の特徴的な時定数とダイナミクス的領域は何か？
• RQ3 信号対雑音比は、前熱化プラトー領域および無限温度領域における一時的ダイナミクスおよび加熱率の観測をどのように可能にするか？
• RQ4 加熱率は駆動周波数にどのように依存するか？理論的予測の指数的抑制と一致するか？

主な発見

• 横磁気共鳴時間T′₂ ≈ 90.9秒が測定され、自然な自由誘導減衰時間T₂* ≈ 1.5 msと比較して60,000倍以上も延長された。
• システムは573秒以上にわたって安定した前熱化プラトーに留まり、約580万回の制御パルスと10^10回を超えるスピン進動サイクルに相当した。
• 4つの異なる熱化領域を同定した：(1) 前熱化プラトーへの短時間トランジエンス、(2) プラトーの維持、(3) 約束のない熱化へのクロスオーバー、(4) 最終的な無限温度への加熱。
• 高駆動周波数領域では加熱率が概ね∝ exp(−t^{1/2})のようになり、エネルギー吸収の抑制を示す理論的予測と整合的であった。
• 光学的超極化と継続的読み取りの組合せにより、1ショットあたりの信号対雑音比が10^9を超えた。これにより、ダイナミクスの高精度追跡が可能になった。
• トランジエンス応答における高調波振動は、前熱化プラトーへの到達過程におけるコherーントなダイナミクスを示し、周期的駆動下での有効な保存量の出現を確認した。