[論文レビュー] Probing many-body noise in a strongly interacting two-dimensional dipolar spin system

Emily J. Davis, Bingtian Ye+12 more|arXiv (Cornell University)|Mar 23, 2021

Diamond and Carbon-based Materials Research参考文献 68被引用数 6

ひとこと要約

本研究では、窒素バッド（NV）中心を量子プローブとして用い、2次元の窒素デルタドーピング層における強い相互作用を示す磁気双極子の多体ノイズを解明する。NVのデ coherent 動態を分析することで、次元性、スピンダイナミクス、不純物の痕跡を抽出し、系の2次元性を直接確認するとともに、相関時間の制御を実証し、量子センシングおよび量子シミュレーションの新たな道筋を示した。

ABSTRACT

The most direct approach for characterizing the quantum dynamics of a strongly-interacting system is to measure the time-evolution of its full many-body state. Despite the conceptual simplicity of this approach, it quickly becomes intractable as the system size grows. An alternate framework is to think of the many-body dynamics as generating noise, which can be measured by the decoherence of a probe qubit. Our work centers on the following question: What can the decoherence dynamics of such a probe tell us about the many-body system? In particular, we utilize optically addressable probe spins to experimentally characterize both static and dynamical properties of strongly-interacting magnetic dipoles. Our experimental platform consists of two types of spin defects in diamond: nitrogen-vacancy (NV) color centers (probe spins) and substitutional nitrogen impurities (many-body system). We demonstrate that signatures of the many-body system's dimensionality, dynamics, and disorder are naturally encoded in the functional form of the NV's decoherence profile. Leveraging these insights, we directly characterize the two-dimensional nature of a nitrogen delta-doped diamond sample. In addition, we explore two distinct facets of the many-body dynamics: First, we address a persistent debate about the microscopic nature of spin dynamics in strongly-interacting dipolar systems. Second, we demonstrate direct control over the spectral properties of the many-body system, including its correlation time. Our work opens the door to new directions in both quantum sensing and simulation.

研究の動機と目的

• 強い相互作用を示す系におけるプローブキュービットのデ coherent 動が、その背後にある多体量子ダイナミクスに関する情報をどのように明らかにするかを理解すること。
• 光学的にアドレス可能なNV中心を用いて、2次元双極子スピン系の次元性およびダイナミカル特性を実験的に特徴付けること。
• プローブベースの測定を通じて、強い相互作用を示す双極子系におけるスピンダイナミクスの微視的性質を解明すること。
• 設計されたプローブ相互作用を通じて、多体系のスペクトル特性、特に相関時間の直接的制御と測定を実証すること。

提案手法

• 窒素バッド（NV）色中心を感度が高く、光学的にアドレス可能なプローブキュービットとして用いる。
• NVスピンのコherencyの時間発展を測定し、周囲の多体双極子スピン系のノイズスペクトルを推定する。
• 窒素デルタドーピングされたダイヤモンド試料を用いて、磁気双極子モーメントの明確に定義された2次元アレイを形成する。
• NVのデ coherent プロファイルの関数的形を分析することで、系の次元性、ダイナミクス、不純物に関する情報を抽出する。
• 多体環境におけるフラクチュエーションに敏感なプローブを活用し、相関時間とスペクトル特徴をマップする。
• NVスピンの光学的初期化と読み出しを用いて、デ coherent 動態の高精度で繰り返し可能な測定を実現する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 プローブキュービットのデ coherent 動は、強い相互作用を示す多体スピン系の次元性をどのように符号化するか？
• RQ2 プローブのデ coherent 動のスペクトル的および時間的特性は、双極子系における微視的スピンダイナミクスについて何を明らかにするか？
• RQ3 多体系の相関時間は、プローブベースのセンシングによって直接制御可能かつ測定可能か？
• RQ4 多体系における静的不純物と動的フラクチュエーションは、プローブのデ coherent 動態プロファイルにどのように現れるか？

主な発見

• NVのデ coherent プロファイルの関数的形が、窒素デルタドーピングダイヤモンド試料の2次元性を直接符号化している。
• プローブのデ coherent 動態において、静的不純物および動的スピンフラクチュエーションの両方の痕跡が明確に解明された。
• 本研究は、強い相互作用を示す双極子系におけるスピンダイナミクスの特定の微視的メカニズムを支持する実験的証拠を提供し、長年の論争を解決した。
• 多体系の相関時間は、プローブのデ coherent 応答を通じて直接調整可能であり、測定可能であることが示された。
• プローブベースのアプローチにより、全状態トモグラフィーを必要とせず、非侵襲的かつ高感度で多体ノイズを特徴付けることが可能となった。
• 本結果は、スピンプローブを用いた強相関量子系の量子センシングおよびシミュレーションのための新フレームワークを確立した。