[論文レビュー] Quantum sensing and imaging with spin defects in hexagonal boron nitride

Sumukh Vaidya, Xingyu Gao+3 more|arXiv (Cornell University)|Feb 22, 2023

Diamond and Carbon-based Materials ResearchMaterials Science被引用数 3

ひとこと要約

このレビューでは、六方ボロンナイトライド（hBN）中のスピン欠陥、特に負に charged なボロンバケイション（V_B⁻）を用いたナノスケールおよびマイクロスケールの量子センシングとイメージングの利用を検討する。hBNの2次元構造、高い安定性、光学的に制御可能なスピンを活用し、光起因の初期化、マイクロ波制御、光励起放射の読み取りを用いて、磁場、温度、ひずみ、核スピン、RF信号の高感度検出を実現した。低温条件下ではコher-ence時間（coherence time）が36 µsにまで延長され、ダイナミックデカップリングプロトコルを用いることで800 nsにまで向上した。

ABSTRACT

Color centers in hexagonal boron nitride (hBN) have recently emerged as promising candidates for a new wave of quantum applications. Thanks to hBN's high stability and 2-dimensional (2D) layered structure, color centers in hBN can serve as robust quantum emitters that can be readily integrated into nanophotonic and plasmonic structures on a chip. More importantly, the recently discovered optically addressable spin defects in hBN provide a quantum interface between photons and electron spins for quantum sensing applications. The most well-studied hBN spin defects, the negatively charged boron vacancy ($V_B^-$) spin defects, have been used for quantum sensing of static magnetic fields, magnetic noise, temperature, strain, nuclear spins, paramagnetic spins in liquids, RF signals, and beyond. In particular, hBN nanosheets with spin defects can form van der Waals (vdW) heterostructures with 2D magnetic or other materials for in situ quantum sensing and imaging. This review summarizes the rapidly evolving field of nanoscale and microscale quantum sensing with spin defects in hBN. We introduce basic properties of hBN spin defects, quantum sensing protocols, and recent experimental demonstrations of quantum sensing and imaging with hBN spin defects. We also discuss methods to enhance their sensitivity. Finally, we envision some potential developments and applications of hBN spin defects.

研究の動機と目的

• 六方ボロンナイトライド（hBN）におけるスピン欠陥を用いた量子センシングおよびイメージング分野における最近の進展を要約すること。hBNは2次元のファンデルワールス材料として、高い安定性と低い表面ノイズを有する。
• ダイヤモンドNVセンターのような従来の量子センサの限界、特に表面に起因するデコherenceおよび統合の難しさを扱うこと。
• hBNスピン欠陥がナノフォトニクスおよびプラズモン的プラットフォームにおいて、イン・スイット（in situ）で高分解能センシングを可能にする可能性を強調すること。
• スピンコher-ence時間の延長および光励起放射強度の向上に向けた手法をレビューし、センシング感度の向上を図ること。
• 量子センシング、スピンオプトメカニクス、2次元ヘテロ構造との統合分野における将来の応用を予測すること。

提案手法

• グリーンレーザー励起を用いた光起因の初期化により、hBN中の負にcharged なボロンバケイション（V_B⁻）欠陥をスピンキュービットとして利用すること。
• 光検出磁気共鳴（ODMR）における光励起放射強度の変化を用いた、マイクロ波パulsesによるスピンのコher-entな操作と読み取りを実施すること。
• CPMGおよびアモルフィズド・コンカタネーテッド・ダイナミック・デカップリング（CCD）などのダイナミックデカップリングシーケンスを適用し、スピンコher-ence時間（T₂）を延長すること。
• 強いスピン相互作用を示すスピン系においても耐障害性を示すDROIDプロトコルを用いて、コher-enceを向上させること。
• 同素体純化（例：10B）および冷却を用いてデコherenceを低減し、T₂を向上させること。
• 2次元磁性材料やプラズモニック材料と組み合わせたhBNナノスケールおよびvdWヘテロ構造の作製により、イン・スイットセンシングおよび強力な場の結合を実現すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 hBNスピン欠陥は、環境条件下で磁場、温度、ひずみ、核スピンの高感度ナノスケール量子センシングをどのように可能にするか？
• RQ2 V_B⁻欠陥のスピンコher-ence時間（T₂）を、内在的な限界を超えて延長する主なメカニズムとプロトコルは何か？
• RQ3 hBNの2次元性は、ナノフォトニクスおよびプラズモニック構造との統合をどのように可能にし、センシングおよびイメージングを強化するか？
• RQ4 アレイ化されたhBNスピン欠陥を用いた量子イメージングにおいて、回折限界を超える空間分解能を達成する見通しは何か？
• RQ5 将来の材料工学および制御戦略（例：同素体純化、欠陥工学）により、hBNベースの量子センサの性能をさらに向上させることは可能か？

主な発見

• hBN中のV_B⁻スピン欠陥は、室温で最大4 µsのコher-ence時間を示す光学的に制御可能なスピン状態を有し、低温（50 K）および強い磁場（3.2 T）条件下では36 µsまで延長された。
• アモルフィズド・コンカタネーテッド・ダイナミック・デカップリング（CCD）により、保護されていないV_B⁻スピンのコher-ence時間が800 nsにまで延長された。保護されたスーパポジションキュービットでは、最大800 nsのT₂が達成された。
• DROIDプロトコルにより、強いスピン相互作用を示す系においても最大500 nsのコher-ence時間が達成され、不純物に対して高い耐性を示した。
• ヘリウムイオン顕微鏡を用いて100 nm²のV_B⁻欠陥アレイを形成し、1次元での回折限界を超えた磁場イメージングを実現した。
• 10Bを用いた同素体純化により、コher-ence時間46 nsが62 nsに向上したが、その向上は限定的であった。
• 理論的および実験的証拠により、低質量および強いスピン-格子結合を有するため、hBNスピン欠陥はスピンオプトメカニクス、高調波生成、量子シミュレーションへの応用が可能であると示唆されている。