[論文レビュー] Phonon-induced spin-spin interactions in diamond nanostructures: application to spin squeezing

Steven Bennett, Norman Y. Yao+4 more|Digital Access to Scholarship at Harvard (DASH) (Harvard University)|Jan 14, 2013

Diamond and Carbon-based Materials Research被引用数 7

ひとこと要約

本稿では、窒素真空（NV）中心を有するダイヤモンドナノビーム構造において、ひずみ誘起結合を介した機械的振動モードへの結合を用いて、フォノン媒介の長距離スピン-スピン相互作用を提案する。この手法により、スピンエコーと機械的駆動を用いたデコherence抑制によって、現実的な条件下でも顕著なスピンスクリーニングが可能となり、量子センシングおよびスピンベースの量子情報処理の向上に道を拓く。

ABSTRACT

We propose and analyze a novel mechanism for long-range spin-spin interactions in diamond nanostructures. The interactions between electronic spins, associated with nitrogen-vacancy centers in diamond, are mediated by their coupling via strain to the vibrational mode of a diamond mechanical nanoresonator. This coupling results in phonon-mediated effective spin-spin interactions that can be used to generate squeezed states of a spin ensemble. We show that spin dephasing and relaxation can be largely suppressed, allowing for substantial spin squeezing under realistic experimental conditions. Our approach has implications for spin-ensemble magnetometry, as well as phonon-mediated quantum information processing with spin qubits.

研究の動機と目的

• フォノン媒介結合を用いた、ダイヤモンドナノ構造における長距離でコherentなスピン-スピン相互作用を実現するメカニズムの開発。
• 機械的ナノレゾネータにおけるひずみ誘起スピン-フォノン結合を活用し、NV中心アンサンブルにおけるスピンスクリーニングを実現すること。
• スピンの位相崩壊と機械的散逸からのデコherenceを、スピンエコーと機械的駆動技術を用いて抑制すること。
• 現実的な実験パラメータ下での顕著なスピンスクリーニングの実現可能性を示すこと。
• 量子強化磁気測定およびフォノン媒介量子情報処理への応用を検討すること。

提案手法

• NV中心のアンサンブルを有するダイヤモンドナノビーム系において、機械的振動がひずみを生じ、スピン-フォノン相互作用を通じてNVスピン三重項状態に結合する。
• 有効スピン-スピン相互作用は、機械モードを介した仮想フォノン交換によって生じる。これは、集団スピン演算子と単一の機械モードを結合するTavis-Cummings型ハミルトニアンで記述される。
• 位相崩壊の抑制にはスピンエコーシーケンスが用いられ、デコherenceへのパulsesシーケンス効果のモデル化にはフィルタ関数形式が用いられる。
• 熱的および数の揺らぎノイズの抑制のため、機械的駆動が施され、駆動周波数はコherency回復時間に合わせて調整される。
• デコherence項およびコherent項は、機械的オシレータのスペクトル関数（熱的および駆動成分を含む）を用いて計算される。
• スピン不確定性を最小化することで最適スクリーニングが導出され、摂動的および強駆動条件下でのスクリーニング分散の解析的表現が得られる。

Figure 1: (a) All-diamond doubly clamped mechanical resonator with an ensemble of embedded NV centers. (b) Spin triplet states of the NV electronic ground state. Local perpendicular strain induced by beam bending mixes the $\left|\pm 1\right\rangle$ states. (c) A collection spins in the two-level su

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 フォノン媒介スピン-スピン相互作用は、ダイヤモンドナノ構造で設計可能であり、NV中心の長距離もつれを実現可能か？
• RQ2 コherentスピン-スピン相互作用を保持しつつ、スピンの位相崩壊と機械的散逸をどのように抑制できるか？
• RQ3 現実的な実験パラメータ下で、ひずみ結合機械モードを用いたスピンスクリーニングはどの程度達成可能か？
• RQ4 機械的駆動は、機械的オシレータのノイズスペクトルをどのように変化させ、スピンスクリーニングを向上させるか？
• RQ5 提案されたメカニズムは、NVアンサンブル磁気測定または量子情報処理の性能向上を実現可能か？

主な発見

• 実現可能なパラメータ下でも顕著なスピンスクリーニングが可能であり、スクリーニング分散の解析的最適化によってこれを示した。
• スピンエコー技術は位相崩壊を効果的に抑制し、フィルタ関数形式によりパulsesシーケンスによるデコherenceの精密制御が可能となった。
• 機械的駆動により、オシレータのスペクトル応答をシフトさせることで、主な位相崩壊寄与を低減し、有効ノイズを全体的に削減できた。
• 強駆動極限では、摂動的領域で許容される最大駆動強度に設定した場合に最適スクリーニングが達成され、$ \xi^2 \sim \frac{\gamma\bar{n}_{\rm th}}{Jg^2 t} + \frac{t}{T_2} $ のスケーリングに従う。
• ノイズスペクトルの非対称部から生じるコherent項 $ \mu $ が、特に駆動周波数をコherency回復時間に合わせた場合に追加のスクリーニングをもたらす。
• $ \chi_{\rm dr} \gg \chi_{\rm th} $ の状況でも、本手法は熱的ノイズに対して頑健であることが示され、顕著なスピンスクリーニングが実現可能である。

Figure 2: (a) Spin squeezing parameter versus scaled precession time with $N=100$ spins. Solid blue lines show the calculated squeezing parameter for $T_{2}=10$ ms and values of $\bar{n}_{\rm th}$ as shown. For each curve, we optimized the detuning $\Delta$ to obtain the optimal squeezing. Blue dash