[論文レビュー] Ultralong Dephasing Times in Solid-State Spin Ensembles via Quantum Control

Erik Bauch, Connor Hart+6 more|DSpace@MIT (Massachusetts Institute of Technology)|Jan 11, 2018

Electronic and Structural Properties of Oxides被引用数 23

ひとこと要約

本論文は、ダイヤモンド中の窒素空孔（NV）中心におけるスピンバスタービングと二重準位量子コherー�ン磁気測定を組み合わせることで、固体状態スピン系集合における超長コherー�ン時間の実現を示した。これらの技術により、歪み勾配およびパラ磁性バスタースピンとの双極子相互作用という主なコherー�ン破壊機構が抑制され、室温下で$T_2^*$が60 μsを超えるまで延長された。これにより、直流磁気測定において広帯域のフェムトテスラ感度が実現された。

ABSTRACT

Quantum spin dephasing is caused by inhomogeneous coupling to the environment, with resulting limits to the measurement time and precision of spin-based sensors. The effects of spin dephasing can be especially pernicious for dense ensembles of electronic spins in the solid-state, such as for nitrogen-vacancy (NV) color centers in diamond. We report the use of two complementary techniques, spin bath control and double quantum coherence, to enhance the inhomogeneous spin dephasing time ($T_2^*$) for NV ensembles by more than an order of magnitude. In combination, these quantum control techniques (i) eliminate the effects of the dominant NV spin ensemble dephasing mechanisms, including crystal strain gradients and dipolar interactions with paramagnetic bath spins, and (ii) increase the effective NV gyromagnetic ratio by a factor of two. Applied independently, spin bath control and double quantum coherence elucidate the sources of spin dephasing over a wide range of NV and spin bath concentrations. These results demonstrate the longest reported $T_2^*$ in a solid-state electronic spin ensemble at room temperature, and outline a path towards NV-diamond magnetometers with broadband femtotesla sensitivity.

研究の動機と目的

• 密度の高い固体状態スピン集合における$T_2^*$の短さという根本的制限を克服し、センシング時間と精度を向上させること。
• 歪み勾配およびパラ磁性バスタースピンとの双極子結合を含む、NV中心における主なコherー�ン破壊機構を同定し、それらを緩和すること。
• $T_2^*$を従来の限界を超えて延長することで、高感度で広帯域の直流磁界センシングを可能にすること。
• 量子制御技術がNV集合におけるコherー�ン時間および有効ギロモーメント比の両方を向上させられることを示すこと。
• 室温下でフェムトテスラレベルの感度を達成可能な実用的NVダイヤモンド直流磁気計の実現への道筋を確立すること。

提案手法

• パラ磁性バスタースピン（例：14N, 13C）からのコherー�ン破壊を動的に抑制するため、バスタースピン周波数に一致する共振RFパルスを印加することでスピンバスタービングを実施する。
• 二重準位量子（DQ）コherー�ン磁気測定を用い、有効ギロモーメント比を2倍にすることで信号対雑音比を向上させ、コherー�ン時間を延長する。
• これらの技術を併用して、歪みおよび磁界勾配といった複数のコherー�ン破壊チャネルを同時に抑制する。
• HahnエコーおよびSEDOＲ測定を用いて、歪み、窒素、炭素欠陥からの個々のコherー�ン破壊寄与を補正・定量する。
• 双極子結合理論および歪み誘起Zeemanシフトを用いて、窒素濃度の変動に応じた$T_2^*$挙動を予測するためのモデルを構築する。
• RF出力および窒素濃度（1–10 ppm）などの実験パラメータを最適化し、技術的課題を最小限に抑えながら感度を最大化する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 密度の高いNVスピン集合において、室温下で$T_2^*$を制限する主なコherー�ン破壊機構は何か？
• RQ2 スピンバスタービングと二重準位量子コherー�ン磁気測定が、個別および併用してこれらのコherー�ン破壊機構をどのように抑制するか？
• RQ3 量子制御を用いることで、$T_2^*$はどの程度延長可能であり、最適な作動条件は何か？
• RQ4 DQコherー�ン下での有効ギロモーメント比はどのようにスケーリングするか？また、これにより磁界感度にどのような影響を与えるか？
• RQ5 技術的制約を考慮した上で、磁界センシング感度を最大化するための最適な窒素濃度範囲は何か？

主な発見

• スピンバスタービングと二重準位量子コherー�ン磁気測定の併用により、NV集合における$T_2^*$が68 μsまで延長され、室温下で報告された最長の値となった。
• スピンバスタービングにより、パラ磁性バスタースピンからのコherー�ン破壊が抑制され、$T_2^{*}$の制限要因が最大10倍まで低減した。
• 二重準位量子コherー�ン磁気測定により、有効ギロモーメント比が2倍に増加し、信号応答およびコherー�ン時間の向上が達成された。
• 最適な窒素濃度範囲（1–10 ppm）では、駆動なしの単一準位量子磁気測定と比較して、測定時間が36倍短縮された。
• 従来の単一準位量子磁気測定と比較して、感度は4倍から36倍まで向上し、実験のデッドタイムを考慮するとさらに大きな向上が得られた。
• 3つのサンプル（A, B, C）におけるコherー�ン破壊解析から、歪みおよび窒素関連バスタースピンが主な寄与要因であることが確認され、13Cおよび磁界勾配が二次的な役割を果たしていた。