[論文レビュー] Sensitive Magnetic Control of Ensemble Nuclear Spin Hyperpolarisation in Diamond

Haijing Wang, Chang S. Shin+5 more|arXiv (Cornell University)|Nov 30, 2012

Diamond and Carbon-based Materials Research参考文献 43被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、窒素・バケーション（NV）中心の電子スピン遷移を活用することで、ダイヤモンド中の集合核スピンハイパーポラリゼーションを高感度で磁気的に制御することを示した。NV中心の準縮退準位の反対抗え近傍で磁場を調整することにより、数ミリテスラの変化で最初のシェル内の13C核スピン極化を完全に反転させることができ、NMR感度向上および量子技術分野における高精度で室温下での制御を可能にした。

ABSTRACT

Dynamic nuclear polarisation, which transfers the spin polarisation of electrons to nuclei, is routinely applied to enhance the sensitivity of nuclear magnetic resonance; it is also critical in spintronics, particularly when spin hyperpolarisation can be produced and controlled optically or electrically. Here we show the complete polarisation of nuclei located near the optically-polarised nitrogen-vacancy (NV) centre in diamond. When approaching the ground-state level anti-crossing condition of the NV electron spins, 13C nuclei in the first-shell are polarised in a pattern that depends sensitively and sharply upon the magnetic field. Based on the anisotropy of the hyperfine coupling and of the optical polarisation mechanism, we predict and observe a complete reversal of the nuclear spin polarisation with a few-mT change in the magnetic field. The demonstrated sensitive magnetic control of nuclear polarisation at room temperature will be useful for sensitivity-enhanced NMR, nuclear-based spintronics, and quantum computation in diamond.

研究の動機と目的

• 室温下でダイヤモンド内の核スピンハイパーポラリゼーションに対して感度高く、調整可能な制御を達成すること。
• 電子-核スピン間のハイペルフィン結合および光学的極化の異方性が核スピン極化をどのように媒介するかを調査すること。
• NV中心のスピン準位構造を用いて、核スピン極化の磁場依存的反転を実証すること。
• 高精度な磁気的制御を通じて、感度向上型NMRおよび量子情報処理への応用を可能にすること。

提案手法

• 光学励起を用いて、ダイヤモンド中の窒素・バケーション（NV）中心を電子スピン極化源として利用する。
• 外部磁場を印加し、NV中心の電子スピン準位を基底状態の準縮退準位の反対抗えに近づける。
• NV中心と近接する13C核との間のハイペルフィン結合の異方性を活用して、核スピン極化を制御する。
• 動的核スピン極化（DNP）を用いて、最初の配位シェル内の13C核に電子スピン極化を移譲する。
• 核磁気共鳴（NMR）を測定することで、磁場強度に依存する極化変化を検出する。
• 磁場強度関数としての極化反転パターンを分析し、感度および鋭い依存性を確認する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 磁場がダイヤモンド中のNV中心近傍の13C核スピン極化にどのように影響するか？
• RQ2 ハイペルフィン結合の異方性が磁場感受性核スピン極化を可能にする役割は何か？
• RQ3 準縮退準位の反対抗え近傍で、わずかな磁場変化により核スピン極化を完全に反転させることは可能か？
• RQ4 光学的極化の異方性が、移譲される核スピン極化の方向および大きさに与える影響はどの程度か？
• RQ5 室温下で達成可能な核スピンハイパーポラリゼーションの度合いとその磁場感受性はどの程度か？

主な発見

• 数ミリテスラの磁場変化で、NV中心の最初のシェル内の13C核スピン極化を完全に反転させることに成功した。
• 極化反転は、NV中心の基底状態の準縮退準位の反対抗え条件付近で急峻に発生しており、磁場調整に対する高い感度を示している。
• 観測された極化パターンは、ハイペルフィン相互作用の異方性および光学励起の配置に強く依存している。
• 核スピン極化は室温下で完全に制御可能であり、NMRおよびスピントロニクス応用への実用的妥当性を示している。
• 極性の急峻で逆転可能な遷移が観測され、集合核スピンの共鳴的磁気的制御を確認した。
• 極化反転は、複数回の磁場スキャンにおいても安定で、著しい劣化を示さなかった。