[論文レビュー] Measurement of transverse hyperfine interaction by forbidden transitions

Mo Chen, Masashi Hirose+1 more|DSpace@MIT (Massachusetts Institute of Technology)|Mar 30, 2015

Atomic and Subatomic Physics Research参考文献 2被引用数 6

ひとこと要約

本稿では、核スピンラビ振動中に見かけ上禁じられた遷移からの2次効果を活用することで、ダイヤモンド中の窒素空位（NV）中心における横方向ハイペルフィン結合を高精度に測定する手法を提示する。この技術により、レベル反交叉付近で核ラビ周波数をほぼ3桁向上させられる可能性を有する中、−2.62 ± 0.05 MHzの高精度な横方向ハイペルフィン結合の決定が可能になった。

ABSTRACT

Precise characterization of a system's Hamiltonian is crucial to its high-fidelity control that would enable many quantum technologies, ranging from quantum computation to communication and sensing. In particular, non-secular parts of the Hamiltonian are usually more difficult to characterize, even if they can give rise to subtle but non-negligible effects. Here we present a strategy for the precise estimation of the transverse hyperfine coupling between an electronic and a nuclear spin, exploiting effects due to forbidden transitions during the Rabi driving of the nuclear spin. We applied the method to precisely determine the transverse coupling between a Nitrogen-Vacancy center electronic spin and its Nitrogen nuclear spin. In addition, we show how this transverse hyperfine, that has been often neglected in experiments, is crucial to achieving large enhancements of the nuclear Rabi driving.

研究の動機と目的

• 量子制御に顕著な影響を与えるが、しばしば無視されがちな非セクレーラルな横方向ハイペルフィン相互作用を、電子-核スピン系において高精度に特徴付けること。
• 集合的技術や単一スピン読み出しと不適合な強い横磁場に依存する従来手法の限界を克服すること。
• 見かけ上禁じられた遷移からの2次効果を活用することで、高速かつ高精度な核スピン操作を実現すること。
• シリコン中のドーパントや碳化ケイ素中の欠陥など、他の電子-核スピンハイブリッド系へも適用可能なスケーラブルな手法を開発すること。
• 量子センシング、計算、通信への応用を想定したハミルトニアン特徴付けの精度を向上させること。

提案手法

• 横方向ハイペルフィン結合に起因する電子スピン状態と核スピン状態との間の2次効果的な混合を活用し、通常は禁じられていた遷移がラビ駆動中に発生することを応用する。
• 地上状態のレベル反交叉に近づけるために、固定された509 Gの磁場を印加し、横方向結合に起因するラビ周波数の増幅を最大限に高める。
• 光学的蛍光をモニタリングすることで、印加RF駆動振幅の関数として核ラビ周波数を測定し、有効ラビ周波数をΩₘ = √(Ω² + δ²)としてモデル化する。ここでδはずれである。
• 実験データを理論的ラビ増幅式（5–7）にフィットさせ、裸のラビ周波数を別個に測定する必要なく、A⊥を抽出可能にする。
• 高精度な磁場方向の整列や集合平均に依存しないため、高精度な単一スピン測定が可能である。
• 実験条件下ではパルスの不完全性や核スピン極化による系統的誤差がA⊥の推定にほとんど影響しないことが示された。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 単一スピン光学検出を用いた場合、従来の測定を上回る高精度でNV中心における横方向ハイペルフィン結合を測定可能か？
• RQ2 レベル反交叉の存在下で、横方向ハイペルフィン相互作用が核ラビ周波数をどの程度増幅するか？
• RQ3 見かけ上禁じられた遷移からの2次効果をどのように活用し、非セクレーラルなハミルトニアンパラメータを抽出できるか？
• RQ4 A⊥の測定における主要な不確実要因は何か。それらはどのように低減できるか？
• RQ5 この手法は、他の電子-核スピン系（例：シリコン中のホスホラスまたは antimony ドーパント、または炭化ケイ素中の欠陥）へ一般化可能か？

主な発見

• 横方向ハイペルフィン結合定数は、A⊥ = −2.62 ± 0.05 MHzという高精度で測定され、従来の単一スピン測定を上回った。
• 従来の集合的ESR技術よりも高い精度を達成しており、特に強い横磁場が不適切な単一スピン領域で顕著である。
• 理論的モデルは、レベル反交叉付近でラビ周波数増幅がほぼ3桁に達することを予測しており、中程度の駆動パワーでMHzスケールの核スピン制御が可能となる。
• A⊥推定における主な不確実要因は、光学読み出しに起因する光子ショットノイズであり、より長い平均化や検出感度の向上によりさらなる改善が可能である。
• パルスの不完全性やずれに起因する系統的誤差は、実験条件下では線形的にしか影響せず、無視できる程度であった。
• 本手法は、耐障害性に富み、一般化可能であり、ホスホラスやアンチモンドーパントを含むシリコン中のドーパント、または炭化ケイ素中の欠陥など、他の電子-核スピンハイブリッド系への応用が期待される。