[論文レビュー] Probing dynamics of a two-dimensional dipolar spin ensemble using single qubit sensor

Kristine Rezai, Soonwon Choi+2 more|arXiv (Cornell University)|Jul 21, 2022

Diamond and Carbon-based Materials Research被引用数 7

ひとこと要約

本研究では、ダイヤモンド表面に存在する二次元ダイポールスピン系のスピンダイナミクスを、ダイヤモンド内の単一の窒素空孔（NV）中心をナノスケール磁気センサーとして用いて調査する。強いダイポール相互作用があるにもかかわらず、個々のスピン緩和は異常に遅く、これはフラクチュエーティングな核スピンハイパーフィン場による動的不規則性に起因する。この現象は、動的共鳴数え上げ法により定量的に説明され、共鳴スピンロック駆動によって有効な不規則性強度を調整することで実験的に検証された。

ABSTRACT

Understanding the thermalization dynamics of quantum many-body systems at the microscopic level is among the central challenges of modern statistical physics. Here we experimentally investigate individual spin dynamics in a two-dimensional ensemble of electron spins on the surface of a diamond crystal. We use a near-surface NV center as a nanoscale magnetic sensor to probe correlation dynamics of individual spins in a dipolar interacting surface spin ensemble. We observe that the relaxation rate for each spin is significantly slower than the naive expectation based on independently estimated dipolar interaction strengths with nearest neighbors and is strongly correlated with the timescale of the local magnetic field fluctuation. We show that this anomalously slow relaxation rate is due to the presence of strong dynamical disorder and present a quantitative explanation based on dynamic resonance counting. Finally, we use resonant spin-lock driving to control the effective strength of the local magnetic fields and reveal the role of the dynamical disorder in different regimes. Our work paves the way towards microscopic study and control of quantum thermalization in strongly interacting disordered spin ensembles.

研究の動機と目的

• 長距離ダイポール相互作用と動的不規則性を有する量子多体系の微視的緩和ダイナミクスを理解すること。
• ダイポール結合による予想される高速緩和と、表面スピン系で観測された異常な遅いスピン緩和との乖離を解明すること。
• 動的共鳴数え上げ法を用いて、遅い緩和を定量的に説明するモデルを構築すること。
• 共鳴スピンロック駆動により有効な局所磁場を調整することで、動的不規則性の役割を実験的に制御・探査すること。
• 強い相互作用と不規則性を有するスピン系における量子熱化の微視的研究と制御を可能とすること。

提案手法

• ダイヤモンド内の近接表面に位置する窒素空孔（NV）中心が、表面電子スピンからの局所磁場を検出する単一キュービットナノスケール磁気センサーとして機能する。
• NV中心はラムゼイ干渉計法およびスピンエコー減衰を用いてスピンダイナミクスを測定し、表面スピンとのダイポール結合は二重電子スピン共鳴（DEER）シーケンスを用いて特徴づけられる。
• 共鳴周波数のラジオ周波数（RF）場を用いてスピンロックを励起し、有効な局所磁場を変化させ、動的不規則性の強度を調整する。
• 時間依存する局所磁場環境のフラクチュエーションを考慮した理論的モデルを、動的共鳴数え上げ法に基づいて構築する。
• 核スピンバースノイズのパワースペクトル密度から、有効サイト内不規則性幅を計算し、強い駆動条件下では $ W_{\text{eff}} \propto W^2 / \Omega $ のスケーリングが成立することを示した。
• 遷移確率の数値シミュレーションと解析的計算を用いて、緩和率を $ R_{ab} = \pi^2 \gamma_e^2 \rho(\Omega) $ と導出し、ここで $ \rho(\Omega) $ は駆動周波数 $ \Omega $ におけるパワースペクトル密度である。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 2次元ダイポールスピン系におけるスピン緩和率が、近隣スピン間のダイポール結合推定値よりも顕著に遅いのはなぜか？
• RQ2 変動する核ハイパーフィン場に起因する動的不規則性は、個々の電子スピンの緩和ダイナミクスにどのように影響するか？
• RQ3 有効な動的不規則性強度を実験的に制御可能か？また、その制御が緩和率に与える影響は？
• RQ4 不規則性強度と相関時間の変動を伴う場合、観測された緩和挙動が普遍的スケーリング関数に収束するか？
• RQ5 長距離ダイポール相互作用が存在する中で、動的共鳴数え上げ法が観測された異常なスピン緩和を定量的に説明できる程度は？

主な発見

• 観測されたスピン緩和率は、最近接スピン間のダイポール結合推定値よりも著しく遅く、単純な緩和モデルの破綻を示している。
• 異常に遅い緩和は、近接核スピンの時間変動するハイパーフィン場に起因する強い動的不規則性に起因する。
• 動的共鳴数え上げ法に基づく定量的モデルが実験データをうまく説明でき、異なる不規則性強度と相関時間においても普遍的スケーリングの収束を実現した。
• 共鳴スピンロック駆動により有効な局所磁場を調整可能であり、緩和率は理論モデルの予測と一致した。
• 緩和率は解析的予測 $ R_{ab} = \pi^2 \gamma_e^2 \rho(\Omega) $ に従い、核スピンバースノイズのパワースペクトル密度が緩和を決定づける役割を果たしていることを確認した。
• 強い駆動条件下では、有効サイト内不規則性幅が $ W_{\text{eff}} = W^2 / (\sqrt{2} \Omega) $ とスケーリングすることを示し、理論的枠組みの妥当性を裏付けた。