[論文レビュー] Subnanotesla quantum-interference magnetometry with a single spin in diamond

Andreas Angerer, Tobias Nöbauer+6 more|arXiv (Cornell University)|Sep 4, 2015

Diamond and Carbon-based Materials Research参考文献 21被引用数 5

ひとこと要約

本論文は、イソトープ純化ダイヤモンド中の単一窒素空位（NV）中心を用いて、2光子ラビパルスによる|+1⟩と|-1⟩状態間のコherentな駆動を介して、サブナノテスラレベルの量子干渉磁気計測を実証した。この手法により、周期的磁場に対して2.2 nT/Hz¹/²、静的磁場に対して800 pT Allan偏差の磁場感度を達成し、従来の|0⟩–|−1⟩量子ビット操作に比べてコherenceと安定性が顕著に向上した。

ABSTRACT

We demonstrate a magnetometry technique using nitrogen-vacancy centres in diamond which makes use of coherent two-photon transitions. We find that the sensitivity to magnetic fields can be significantly improved in isotopically purified diamond. Furthermore, the long-term stability of magnetic field measurements is significantly enhanced, thereby reducing the minimum detectable long-term field variations for both quasi-static and periodic fields. The method is useful both for sensing applications and as a spin qubit manipulation technique.

研究の動機と目的

• NV中心を用いた量子磁気計測における磁場感度と長期的安定性の向上を目的とする。
• 従来の|0⟩–|−1⟩基底ではなく、|±1⟩スピン準位集合を用いることで、NV中心の位相崩壊を低減することを目的とする。
• スピン1系におけるコherentな2光子駆動が、コherenceの向上とストレインおよび横磁場フラクチュエーションへの感受性の低減を可能にすることを実証することを目的とする。
• 単一NV中心におけるエンジニアリングされた量子干渉を用いて、静的および周期的磁場の両方に対する高感度検出を可能とすることを目的とする。

提案手法

• NV中心を|0⟩状態に初期化し、周波数がずれたラビ周波数Ω₊とΩ₋を有するSTIRAPに類似た2光子マイクロ波パルスを用いて、|+1⟩と|-1⟩状態の重ね合わせ状態にコherentに駆動する。
• 横磁場フラクチュエーションおよびストレインへの結合を最小化するため、軸方向に30 mTの磁場バイアスを印加し、|±1⟩量子ビット状態を安定化する。
• 回転フレームにおけるハミルトニアンの設計により、|+1⟩と|-1⟩間の有効な2準位系を形成し、周波数がずれたマイクロ波場によってコherentな結合を媒介する。
• コherence時間T₂(±1)は、Ω₊およびΩ₋の両方に対称的かつガウス形状のパルスを用いた再位相化シーケンスを用いて測定され、長時間の位相差蓄積が可能となる。
• 磁場感度は、光子ショットノイズとコherenceの減衰に基づき導出される最小検出可能磁場振幅として定量化され、両システムでp ≈ 2.0となる。
• 長期的安定性の評価にはアラン偏差を用い、同一環境条件下で|0⟩–|−1⟩および|±1⟩基底におけるDCおよびAC測定を比較した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ダイヤモンドNV中心における|+1⟩と|-1⟩状態間のコherentな2光子駆動は、標準的な|0⟩–|−1⟩基底に比べてスピンコherence時間の顕著な延長を実現できるか？
• RQ2 |±1⟩量子ビット状態構成は、ストレインおよび横磁場フラクチュエーションへの感受性を低減し、磁場センシング性能の向上をもたらすか？
• RQ3 |±1⟩準位集合の使用が、静的および周期的磁場両方における最小検出可能磁場にどの程度の向上をもたらすか？
• RQ4 |±1⟩量子ビット状態を用いた場合、静的磁場測定の長期的安定性は積分時間とともにどのようにスケーリングするか？
• RQ5 |±1⟩基底における共通モードノイズ除去が、延長時間にわたるショットノイズ制限AC磁気計測を可能にするか？

主な発見

• |±1⟩量子ビット基底におけるコherence時間T₂(±1)は(2.36 ± 0.09) msに達し、従来の|0⟩–|−1⟩基底におけるT₂(0,−1) = (1.66 ± 0.16) msに比べ顕著に向上した。
• 周期的磁場に対する最小検出可能磁場は、|±1⟩基底を用いることで2.2 nT/Hz¹/²にまで低下したのに対し、|0⟩–|−1⟩基底では6 nT/Hz¹/²であった。
• 静的磁場測定におけるアラン偏差は、|±1⟩基底で約30分間の積分時間において800 pTに達したのに対し、|0⟩–|−1⟩基底では約1分後に10 nTにまで上昇した。
• コherence減衰指数pは、|±1⟩系で2.02 ± 0.10、|0⟩–|−1⟩系で2.03 ± 0.38と測定され、減衰形状は類似しているが、|±1⟩系ではT₂が長いことから性能が優れていることが示された。
• |±1⟩基底を用いたAC磁気計測は、30分間の区間で約50 pTのアラン偏差を示し、ショットノイズ制限の動作に達しており、光子統計と測定時間にのみ制限されていた。
• 向上した安定性と感度は、ストレインおよび横磁場フラクチュエーションへの感受性の低減、および|±1⟩量子ビット準位集合における共通モードノイズ除去に起因する。