[論文レビュー] Nanoscale engineering and dynamical stabilization of mesoscopic spin textures

Kieren A. Harkins, Christoph Fleckenstein+17 more|arXiv (Cornell University)|Oct 9, 2023

Diamond and Carbon-based Materials Research被引用数 5

ひとこと要約

本論文は、ダイヤモンド中のNV中心をナノスケールのスピン極化注入源および散逸源として用い、熱化ダイナミクスを活用することで、核スピン系において中間スケールのシェル型スピン構造を設計・安定化する新規手法を示している。フロケ周期的駆動による電子スピン勾配場下での準平衡状態を活用することで、数ナノメートルにわたる長寿命で安定したスピン構造が実現され、数百個のスピンを含み、相互作用時間スケールの100万倍以上にのぼるコherence時間を持つ。これにより、個々のスピンを個別に制御・読み取りすることなく、頑健な非局所的制御と読み取りが可能となる。

ABSTRACT

Thermalization phenomena, while ubiquitous in quantum systems, have traditionally been viewed as obstacles to be mitigated. In this study, we demonstrate the ability, instead, to harness thermalization to dynamically engineer and stabilize structured quantum states in a mesoscopically large ensemble of spins. Specifically, we showcase the capacity to generate, control, stabilize, and read out 'shell-like' spin texture with interacting $ {}^{ 13}\mathrm{C}$ nuclear spins in diamond, wherein spins are polarized oppositely on either side of a critical radius. The texture spans several nanometers and encompasses many hundred spins. We capitalize on the thermalization process to impose a quasi-equilibrium upon the generated texture; as a result, it is highly stable, immune to spin diffusion, and endures over multiple-minute long periods -- over a million times longer than the intrinsic interaction scale of the spins. Additionally, the texture is created and interrogated without locally controlling or probing the nuclear spins. These features are accomplished using an electron spin as a nanoscale injector of spin polarization, and employing it as a source of spatially varying dissipation, allowing for serial readout of the emergent spin texture. Long-time stabilization is achieved via prethermalization to a Floquet-induced Hamiltonian under the electronic gradient field. Our work presents a new approach to robust nanoscale spin state engineering and paves the way for new applications in quantum simulation, quantum information science, and nanoscale imaging.

研究の動機と目的

• 量子系における熱化を悪影響とみなす伝統的視点を覆し、構造的スピン状態の安定化に活用すること。
• 局所的制御や読み取りを必要とせず、高温の核スピン系エナメルで長寿命の中間スケールのスピン構造を実現すること。
• 単一のNV中心をナノスケールプローブおよび注入源として用い、スケーラブルで非侵襲的な方法で複雑なスピン構造を生成・モニタリングすること。
• 長距離スピン相互作用系における設計された散逸と準平衡状態を用いた、頑健な量子状態工学のフレームワークを確立すること。

提案手法

• ダイヤモンド中のNV中心を、スピン極化源および空間的に変化する散逸源として用い、スピン構造の注入と形状形成を実現する。
• NV電子スピンの時間周期的（フロケ）駆動を用い、スピン構造を安定化する準平衡状態の有効ハミルトニアンを生成する。
• NVの磁気双極子場を介して空間的に依存する有効局所ポテンシャルを導入し、周囲の13C核スピンに径方向の極化勾配を形成する。
• NV中心による逐次的読み取りを用い、個々の核スピンを局所的にアドレスしなくても、リアルタイムで出現するスピン構造をモニタリングする。
• 最小スピン間隔2a未満の短時間スピンフラクチュエーションを無視した粗視化格子モデルを用いた古典的シミュレーションにより、長時間ダイナミクスを検証する。
• 複数の格子配置と初期状態の平均を取ることで、実験的エナメル平均と整合するNV環境の統計的挙動をモデル化する。

Fig. 1: System and readout. (A) Spin-textures. Controllable “shell-like” spin texture of positive and negative polarization (shaded red and blue, respectively) is generated in a nanoscale ensemble of ${}^{13}\textrm{C}$ nuclear spins surrounding a central NV electron (manipulated by an external lase

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 熱化ダイナミクスを、抑制されるのではなく、複雑で中間スケールのスピン構造の安定化に活用できるか？
• RQ2 単一のNV中心が、個々のスピンを個別にアドレスしない非局所的逐次的読み取りと制御を、大規模な核スピンエナメルで可能にするか？
• RQ3 フロケ駆動下での準平衡状態が、スピン拡散およびデコherenceに対してどれほどスピン構造を安定化できるか？
• RQ4 NVからの有効ポテンシャルの空間的不均一性が、シェル型極化プロファイルの形成に与える影響はいかほどか？
• RQ5 長距離ダイポール相互作用が、高温系において巨視的で安定したスピン構造を可能にする役割は何か？

主な発見

• 臨界半径の両側で逆方向の極化を持つシェル型スピン構造が安定化され、数ナノメートルにわたる範囲に数百個の13C核スピンを含む。
• スピン構造は3分以上にわたって持続し、スピン間相互作用時間スケールの100万倍以上も長く、極めて高い安定性を示す。
• フロケ駆動による有効ハミルトニアンへの準平衡状態へのダイナミカルな安定化により、スピン拡散および制御誤差に対して頑健である。
• 遅刻時の極化プロファイルがNV由来の空間的に変化する有効ポテンシャルと一致し、系がETH（固有状態熱化仮説）に従う準平衡状態に達していることを確認した。
• 個々の核スピンの局所的操作や検出を必要とせず、NV中心のみを用いてスピン構造の継続的で逐次的な読み取りが可能となった。
• 古典的シミュレーションにより、実験観測と一致する安定的で不均一な極化プロファイルの形成が確認され、粗視化ダイナミクス下での理論モデルの妥当性が検証された。

Fig. 2: Spin textures via hyperpolarization injection (State Engineering). (A) Net ${}^{13}\textrm{C}$ spin polarization under positive hyperpolarization buildup ( $\tau_{+}$ , red points), followed by negative hyperpolarization injection after $\tau_{+}{=}60$ s ( $\tau_{-}$ , blue points) at room t