[論文レビュー] Quantum coherence control at near 1000 K

Gang‐Qin Liu, Xi Feng+3 more|arXiv (Cornell University)|Oct 31, 2018

Diamond and Carbon-based Materials ResearchMaterials Science参考文献 32被引用数 19

ひとこと要約

本研究では、非アモルファス炭素膜上でのパulsedレーザー加熱と急速な熱拡散を用いて、ナノダイヤモンド内の窒素空位（NV）中心電子スピンの常温初期化および読み出しを実証し、1000 Kまでの高温制御を達成した。この手法により、約615 Kで発生する単一ニッケルナノ粒子の磁気的相転移を観測でき、極限的な熱環境下におけるナノスケール温度計測および磁気測定の基盤を確立した。

ABSTRACT

Quantum coherence control usually requires extremely low temperature environments. Even for spins in diamond, a remarkable exception, the coherence signal is lost as temperature approaches 700 K. Here we demonstrate quantum coherence control of the electron spins of nitrogen-vacancy centers in nanodiamonds at temperatures near 1000 K. The scheme is based on initialization and readout of the spins at room temperature and control at high temperature, which is enabled by pulse laser heating and rapid diffusion cooling of nanodiamonds on amorphous carbon films. Using high-temperature spin control, we observe the magnetic phase transition of a single nickel nanoparticle at about 615 K. This work enables nano-thermometry and nano-magnetometry in the high-temperature regime.

研究の動機と目的

• NV中心の量子コherー二ン制御を通常の700 Kの限界を超えて延長すること。
• ナノ温度計測およびナノ磁気測定への応用を実現するための高温スピン操作を可能にすること。
• 新しい熱管理方式を用いて、高温下における電子スピンの熱的デコherenceを克服すること。
• NV中心センシングを用いて、高温下での単一ニッケルナノ粒子の磁気的相転移を観測すること。
• 単一ナノスケール系において、常温での初期化および読み出しと高温制御を統合すること。

提案手法

• アモルファス炭素膜上に配置されたナノダイヤモンドの温度を、パulsesレーザー加熱により急速に1000 Kにまで上昇させる。
• アモルファス炭素基板を通じた急速な熱拡散を用いて、加熱後にナノダイヤモンドを迅速に冷却する。
• 量子コherー二ンを保持するために、NV中心電子スピンの常温初期化および読み出しを実施する。
• 熱的励起中でもコherー二ンを維持するための高温スピン制御プロトコルを適用する。
• NV中心のスピン依存性蛍光を用いて、近接するナノ粒子からの磁気応答を検出する。
• 正確な温度制御と光学的アクセスを可能にするために、カスタムマイクロ熱管理装置を採用する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ナノダイヤモンド内のNV中心の量子コherー二ンは、1000 Kに近い温度でも保持され、制御可能か？
• RQ2 どの熱管理戦略が、デコherenceを伴わずに高温スピン制御を可能にするか？
• RQ3 単一のNV中心は、高温下でナノ粒子の磁気的相転移を検出可能か？
• RQ4 常温での初期化および読み出しを実施しながら、高温制御を維持することは可能か？
• RQ5 このシステムは、極限的な熱環境下でのナノスケール温度計測および磁気測定を可能にするか？

主な発見

• ナノダイヤモンド内のNV中心の量子コherー二ンが、1000 Kまでにわたり、成功裏に維持され、制御された。
• 本システムにより、約615 Kで発生する単一ニッケルナノ粒子の磁気的相転移が検出された。
• パulsesレーザー加熱による高温制御と併せて、NVスピンの常温初期化および読み出しが達成された。
• アモルファス炭素膜を通じた急速な熱拡散により、加熱サイクル中でも熱的損傷を防ぎ、スピンコherー二ンを維持した。
• 本手法により、極限的な熱的条件下でも高精度なスピン制御とセンシングが可能となり、NVベースセンサの運用範囲が拡張された。
• 本アプローチは、高温環境下におけるナノ温度計測およびナノ磁気測定の実現可能性を示した。