[論文レビュー] Single-spin magnetometry with multi-pulse dynamical decoupling sequences

G. de Lange, Diego Ristè+2 more|arXiv (Cornell University)|Aug 25, 2010

Magnetic Field Sensors Techniques被引用数 2

ひとこと要約

本稿では、複数パルスダイナミカルデカップリングシーケンスを用いた単一スピン磁気計測の向上を示している。これにより、センシング時間の延長とデコherenceと測定時間のバランスを取ることで、交流磁界の感度が向上する。著者らは、最適なセンシングサイクル数を導出し、さまざまな位相および周波数条件における周波数フィルタリング応答を特徴づけた。

ABSTRACT

We experimentally demonstrate single-spin magnetometry with multi-pulse sensing sequences. The use of multi-pulse sequences can greatly increase the sensing time per measurement shot, resulting in enhanced ac magnetic field sensitivity. We theoretically derive and experimentally verify the optimal number of sensing cycles, for which the effects of decoherence and increased sensing time are balanced. We perform these experiments for oscillating magnetic fields with fixed phase as well as for fields with random phase. Finally, by varying the phase and frequency of the ac magnetic field, we measure the full frequency-filtering characteristics of different multi-pulse schemes and discuss their use in magnetometry applications.

研究の動機と目的

• 1回の測定ショットあたりの有効センシング時間を延長することで、単一スピン磁気計測の感度を向上させること。
• デコherence効果と延長された統合時間の両者をバランスさせる最適なセンシングサイクル数を特定すること。
• 固定位相およびランダム位相の交流磁界下で、複数パルスシーケンスの性能を実験的に検証すること。
• 実用的な磁気計測忤用に、さまざまな複数パルス方式の周波数フィルタリング特性をマッピングすること。

提案手法

• 1回の測定ショットあたりのコher-ence時間とセンシング期間を延長するために、複数パルスダイナミカルデカップリングシーケンスを用いる。
• デコherenceと統合時間のトレードオフに基づき、最適なセンシングサイクル数の理論的導出を行う。
• 窒素空孔欠陥を有するダイヤモンドを用いて、振動する磁界をセンシングする実験的実装。
• 交流磁界の位相と周波数を体系的に変化させ、各複数パルスシーケンスの周波数フィルタリング応答を測定・特徴づける。
• 耐障害性とダイナミックレンジを評価するために、固定位相およびランダム位相の交流磁界を用いる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 複数パルスダイナミカルデカップリングを用いた単一スピン磁気計測において、感度を最大にする最適なセンシングサイクル数は何か？
• RQ2 デコherence効果は、複数パルスシーケンスにおけるより長いセンシング時間の利点をどのように制限するか？
• RQ3 交流磁界の周波数と位相に応じて、複数パルスシーケンスの周波数フィルタリング応答はどのように変化するか？
• RQ4 固定位相とランダム位相の交流磁界において、複数パルスセンシングの性能にどのような差が生じるか？

主な発見

• 最適なセンシングサイクル数は、実験的にデコherenceと延長されたセンシング時間の両者をバランスさせ、感度を最大にすることが確認された。
• 複数パルスシーケンスにより、1ショットあたりの有効センシング時間が延長され、交流磁界の感度が顕著に向上した。
• さまざまな複数パルス方式の周波数フィルタリング特性が測定され、交流磁界の周波数および位相に依存することが示された。
• ランダム位相の交流磁界下でもセンシング性能が安定しており、騒音の多い環境下での実用的応用可能性が裏付けられた。
• 理論的予測された最適サイクル数と実験結果が一致し、モデルの妥当性が検証された。