[論文レビュー] Persistence of Single Spin Coherence above 600K in Diamond

D.M. Toyli, David J. Christle+4 more|arXiv (Cornell University)|Jan 21, 2012

Diamond and Carbon-based Materials Research参考文献 1被引用数 5

ひとこと要約

本研究では、ダイヤモンド中の単一窒素空位（NV）中心が625 Kまで coherent なスピン制御を維持することを示しており、非一様スピン寿命（T₂*）は温度に依存しないままである。これは、ナノスケールの温度計としての応用が可能であることを示している。蛍光を用いたスピン読み出しは550 Kを超えると非放射的過程により失敗し、電子構造計算ではE–A1状態のエネルギー差が約0.8 eVであると示唆されている。

ABSTRACT

We study the spin and orbital dynamics of single nitrogen vacancy (NV) centers in diamond between room temperature and 700 K. We find that the ability to optically address and coherently control single spins above room temperature is limited by nonradiative processes that quench the NV center’s fluorescence-based spin readout between 550 K and 700 K. Combined with electronic structure calculations, our measurements indicate that the energy difference between the E and A1 electronic states is ∼0.8 eV. We also find that the inhomogeneous spin lifetime (T ∗ 2 ) is independent of temperature up to at least 625 K, suggesting that single NV centers could be applied as nanoscale thermometers over a broad temperature range.

研究の動機と目的

• 高温下におけるダイヤモンド中の窒素空孔（NV）中心における単一スピンコherenceの持続性を調査すること。
• 室温を超える温度で光学的スピン読み出しの限界を引き起こす物理的メカニズムを特定すること。
• 単一NV中心におけるスピンコherence時間（T₂*）の温度依存性を特定すること。
• 実験的観察と電子構造計算を照合することで、電子状態がスピンデコherenceに与える役割を理解すること。

提案手法

• 室温から700 Kまでの温度範囲で、ダイヤモンド中の単一NV中心の光学励起および読み出しを実施。
• パulsedマイクロ波およびレーザー技術を用いて、非一様スピンコherence時間（T₂*）を測定。
• NV中心のE状態とA1状態のエネルギー差を推定するために、電子構造計算を用いる。
• 蛍光強度および崩壊ダイナミクスの分析により、スピン読み出しを阻害する非放射的過程を同定。
• 温度依存のT₂*値を比較することで、スピンコherenceの安定性を評価。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ダイヤモンド中のNV中心で、単一スピンコherenceを維持できる最大温度は何か？
• RQ2 NV中心で550 Kを超えると蛍光を用いたスピン読み出しが失敗するのは何が原因か？
• RQ3 625 Kまでに非一様スピンコherence時間（T₂*）はどのように温度に依存するか？
• RQ4 NV中心のE状態とA1状態のエネルギー差は何か？ そしてそれはスピンダイナミクスにどのように影響するか？

主な発見

• 単一NV中心の非一様スピンコherence時間（T₂*）は、少なくとも625 Kまで温度に依存しないままである。
• 550 Kから700 Kの間、蛍光を用いたスピン読み出しは非放射的過程によって阻害され、失敗する。
• NV中心のE状態とA1状態のエネルギー差は約0.8 eVであると推定されている。
• 温度に依存しないT₂*は、単一NV中心が広い温度範囲で頑丈なナノスケール温度計として機能可能であることを示唆している。