[論文レビュー] Long-distance excitation of nitrogen-vacancy centers in diamond via surface spin waves

Daisuke Kikuchi, Dwi Prananto+8 more|arXiv (Cornell University)|Aug 2, 2017

Diamond and Carbon-based Materials Research参考文献 31被引用数 58

ひとこと要約

本研究では、イットリウム鉄ガーネット（YIG）ディスクを介して伝搬する磁気静的表面スピン波（MSSW）を用いて、ダイヤモンド中の窒素・バケーション（NV）中心を長距離かつコherentに制御することを示した。マイクロ波アダプタを用いてMSSWを励起することで、常温下において最大3.6 mm離れたNV中心のスピンを共鳴的に制御し、スピン波による結合に起因するマイクロ波場の強度増幅が100倍以上に達した。

ABSTRACT

Coherent communication over mesoscale distances is a necessary condition for the application of solid-state spin qubits to scalable quantum information processing. Among other routes under study, one possibility entails the generation of magnetostatic surface spin waves (MSSW) dipolarly coupled to shallow paramagnetic defects in wide-bandgap semiconductors. As an initial step in this direction, here we make use of room-temperature MSSWs to mediate the interaction between the microwave field from an antenna and the spin of a nitrogen-vacancy (NV) center in diamond. We show that this transport spans distances exceeding 3 mm, a manifestation of the MSSW robustness and long diffusion length. Using the NV spin as a local sensor, we find that the MSSW amplitude grows linearly with the applied microwave power, suggesting this approach could be extended to amplify the signal from neighboring spin qubits by several orders of magnitude.

研究の動機と目的

• フェリマグネチックなYIG基板上における表面スピン波を用いて、ダイヤモンド中のNV中心のコherentで長距離の制御を実証すること。
• MSSWをチップ統合型スピンキュービット用の量子バスとして使用可能かどうかを検討すること。
• MSSWの伝搬に伴う遠方のNV中心におけるマイクロ波場の増幅を定量すること。
• MSSWがスケーラブルな量子情報処理およびナノスケールスピンセンシングに果たす可能性を検討すること。

提案手法

• マイクロ波駆動の金ワイヤアンテナを用いて、0.4 mm 厚のYIGディスク内に磁気静的表面スピン波（MSSW）を励起する。
• 532 nm レーザーを用いた共焦点顕微鏡を用いて、タイプIIaのダイヤモンド結晶中のNV中心スピンの光学的初期化および読み出しを行う。
• アンテナからの距離を3.6 mmまで変化させながら、MSSW誘起スピン遷移を検出するための光学的検出磁気共鳴（ODMR）スペクトルを測定する。
• マイクロ波出力および磁場を系統的に変化させ、線形応答および共鳴条件を調査する。
• YIGが存在しない状況における理論的マイクロ波場推定値と比較することで、場の増幅を定量化する。
• キッテルの式を用いたMSSW分散およびNVスピン共鳴の一致の解析と、実験的フィッティングによる検証。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 YIG基板上を伝搬するMSSWが、常温下でミクロスケールの距離（3 mm以上）を越えてNV中心のスピンをコherentに制御可能か。
• RQ2 直接アンテナ結合と比較して、MSSW伝搬に起因するNVサイトにおけるマイクロ波場の増幅はどの程度か。
• RQ3 低磁場領域におけるマイクロ波出力に対するシステムの線形応答は、感度の高いスピンセンシングに適しているか。
• RQ4 MSSWを介した結合を用いて、遠く離れたスピンキュービットをエンタングルまたはコherentに制御可能か。
• RQ5 磁場調整が、NVスピン遷移周波数とMSSWモードとの共鳴を達成するために果たす役割は何か。

主な発見

• マイクロ波アンテナから最大3.6 mm離れたNV中心が、MSSWを介してコherentに制御された。これは長距離スピン制御を実証した。
• アンテナからの直接場と比較して、NVサイトにおけるマイクロ波場の増幅が100倍以上に達した。増幅要因は最大で2桁の増加を示した。
• ODMRディップの振幅が、約10 mWまでマイクロ波出力に比例して線形に増加した。これは信号増幅に適した線形応答領域を示している。
• 90 mWの出力でRabi周波数が約0.17ガウスに観測され、YIGが存在しない場合の予想値と比較して100倍の増幅が確認された。
• MSSW周波数がNVスピン遷移周波数と一致した場合に共鳴結合が観測され、180 Oeおよび300 Oeで強く蛍光ディップが観測された。
• MSSW注入に下限閾値は観測されず、線形応答はフェリマグネチック効果を活用したナノスケール磁気測定への応用可能性を示唆している。