[論文レビュー] Optically induced static magnetic field in ensemble of nitrogen-vacancy centers in diamond

Farid Kalhor, Noah Opondo+5 more|arXiv (Cornell University)|May 6, 2022

Diamond and Carbon-based Materials Research参考文献 15被引用数 6

ひとこと要約

本論文は、楕円偏光光ビームの光子スピン密度（PSD）とその共鳴相互作用を通じて、バルクダイヤモンド中の窒素空孔（NV）中心の集合系において、光学的に誘導された有効な静的な磁場を生成することを示している。誘導された磁場は、室温下でもブロッホ球上で10度を超える測定可能なスピン回転を引き起こし、オンチップ量子技術分野への応用が期待される、全光学的かつコherentなスピンキュービット制御を可能にする。

ABSTRACT

Generation of local magnetic field at the nanoscale is desired for many applications such as spin-qubit-based quantum memories. However, this is a challenge due to the slow decay of static magnetic fields. Here, we demonstrate photonic spin density (PSD) induced effective static magnetic field for an ensemble of nitrogen-vacancy (NV) centers in bulk diamond. This locally induced magnetic field is a result of coherent interaction between the optical excitation and the NV centers. We demonstrate an optically induced spin rotation on the Bloch sphere exceeding 10 degrees which has potential applications in all optical coherent control of spin qubits.

研究の動機と目的

• バルクダイヤモンド中のNV中心の集合系において、光子スピン密度（PSD）を介して有効な静的磁場を生成することを示すこと。
• 光学的に誘導された磁場を用いて、コherentで全光学的なスピンキュービット制御を可能にすること。
• チーフベースのシステムと比較して光学的歪みが最小限のバルクダイヤモンドプラットフォームで効果を検証すること。
• 最適なキュービット制御を実現するため、誘導磁場のPSD、周波数オフセット、波長依存性を定量すること。
• 非共鳴吸収を最小限に抑え、Hahnエコー技術を活用することでデコherenceを低減すること。

提案手法

• 楕円偏光光ビームを、NV中心の集合体を含むバルクダイヤモンド試料に焦点合わせる。
• 光子スピン密度（PSD）を、円偏光の空間的分布として定義し、⃗Sobs^E = (ϵ/4ω₀)Im(⃗E∗×⃗E) と表す。
• ダイヤモンド表面に垂直なバイアス磁場を印加し、PSDの方向と整合させることで、全NV中心の向きにわたる均一なスピン回転を確保する。
• スピンコherenct時間の延長と測定精度の向上を図るため、Hahnエコー技術を用いる。
• PSD強度と相互作用時間の関数として、ブロッホ球上でのスピン回転を測定する。
• 波長および周波数オフセットの依存性を分析し、キュービット制御の最適な領域を同定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 NV中心の集合体において、ランダムな配向を有するにもかかわらず、光学的に誘導された有効な静的磁場を観測できるか？
• RQ2 誘導磁場の強度は、光子スピン密度（PSD）およびNV中心遷移からの周波数オフセットにどのように依存するか？
• RQ3 非共鳴吸収は、光学励起中のスピンコherenctにどの程度影響を及ぼすか？
• RQ4 誘導磁場は広帯域的であり、励起光の波長に応じてどのように変化するか？
• RQ5 Hahnエコー技術は、光学的に誘導された磁場との相互作用中にデコherenceを効果的に低減できるか？

主な発見

• ブロッホ球上で10度を超える光学的誘導スピン回転が観測され、NV中心スピンキュービットのコherent制御が実証された。
• 誘導磁場の強度は、光ビーム周波数とNV中心遷移周波数の間隔（オフセット）に反比例する。
• この効果は広帯域的であり、さまざまな波長で測定可能なスピン回転が得られたことから、多様な光学的制御の可能性を示している。
• 非共鳴吸収は最小限に抑えられ、スピンコherenctが保持され、長時間の相互作用が可能となった。
• Hahnエコー技術によりコherenct時間の延長に成功し、光学的に誘導された磁場の信頼性ある検出が可能になった。
• 平面界面を持つバルクダイヤモンドを用いることで、光学的場の歪みが最小限に抑えられ、PSDに基づく効果の定量的分析が可能になった。