[논문 리뷰] Floquet prethermalization with lifetime exceeding 90s in a bulk hyperpolarized solid

William Beatrez, Otto Janes외 10명|arXiv (Cornell University)|2021. 04. 05.

Atomic and Subatomic Physics Research참고 문헌 59인용 수 59

한 줄 요약

이 연구는 실온에서의 부피형 초극성 13C 다이아몬드 고체에서 Floquet 전열화를 입증한다. 획득한 횡방향 리아소네이션 시간 T′₂ ≈ 90.9초는 자연 상태의 자유 유도 감쇠 시간 T₂* ≈ 1.5 ms보다 60,000배 이상 길다. 펄스형 스핀 锁정 driving 및 질소빈자리(NV) 중심을 통한 광학적 초극성화를 이용해, 573초에 걸쳐 지속적인 스핀 탐지 과정을 통해 장수명 전열화 플랫폼을 유지함으로써, 네 가지 다른 제도에서 열역학적 평형화 역학을 고신호 대비 잡음 비율로 관찰할 수 있었다.

ABSTRACT

We report the observation of long-lived Floquet prethermal states in a bulk solid composed of dipolar-coupled $^{13}$C nuclei in diamond at room temperature. For precessing nuclear spins prepared in an initial transverse state, we demonstrate pulsed spin-lock Floquet control that prevents their decay over multiple-minute long periods. We observe Floquet prethermal lifetimes $T_2'\approx$90.9s, extended >60,000-fold over the nuclear free induction decay times. The spins themselves are continuously interrogated for $\sim$10min, corresponding to the application of $\approx$5.8M control pulses. The $^{13}$C nuclei are optically hyperpolarized by lattice Nitrogen Vacancy (NV) centers; the combination of hyperpolarization and continuous spin readout yields significant signal-to-noise in the measurements. This allows probing the Floquet thermalization dynamics with unprecedented clarity. We identify four characteristic regimes of the thermalization process, discerning short-time transient processes leading to the prethermal plateau, and long-time system heating towards infinite temperature. This work points to new opportunities possible via Floquet control in networks of dilute, randomly distributed, low-sensitivity nuclei. In particular, the combination of minutes-long prethermal lifetimes and continuous spin interrogation opens avenues for quantum sensors constructed from hyperpolarized Floquet prethermal nuclei.

연구 동기 및 목표

• 장수명 전열 상태를 장수명 공명 시간을 지닌 실온에서의 부피 고체에서 달성하고 유지하기 위해.
• 이석 결합을 가진 핵 스핀 시스템에서의 빠른 스핀 분해조의 본질적 한계를 극복하기 위해.
• 강력한 다체계에서 비평형 양자 역학적 동역학을 고정밀도로 연속적으로 탐지하기 위해.
• 초극성, 희박한, 낮은 γ 핵을 사용하여 안정적인 양자 제어 및 센서 응용 가능성을 탐색하기 위해.

제안 방법

• 횡방향 핵 스핀 공명을 안정화하기 위해 약 10 kHz의 반복 주기(τ ≈ 99.28 μs)로 주기적인 π/2 펄스를 사용한 펄스형 스핀 锁정 Floquet 드라이빙을 구현하였다.
• 열적 평형 상태 대비 223배 높은 13C 핵 스핀 극화를 달성하기 위해 질소빈자리(NV) 중심을 통한 광학적 초극성화를 활용하였다.
• 1 ns의 시간 해상도로 연속적인 현장 내 NMR 읽기 기능을 구현하여, 각 펄스 사이클당 하나의 데이터 포인트를 확보함(tacq = 2–32 μs).
• 각 확보 창에 대해 푸리에 변환을 적용하여 이성편이 주파수(20 MHz)에서의 진동 신호를 추출하였으며, 이는 붕괴 곡선 재구성의 기초가 되었다.
• 신호 대비 잡음 비율을 향상시키고 붕괴 데이터의 고주파 잡음을 억제하기 위해 이동 평균 필터링(0.1 s 창)을 적용하였다.
• 드라이브 파arameter와 시스템 반응에 대한 열역학적 평형화 역학의 의존성을 탐색하기 위해 펄스 플립 각도(θ)와 펄스 간격(τ)을 다양화하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 희박하고 낮은 자화율을 지닌 13C 핵을 포함한 실온에서의 부피 고체에서 Floquet 전열화가 안정화될 수 있는가?
• RQ2 주기적으로 구동되는 초극성 스핀 시스템에서 열역학적 평형화의 특성 시간 상수와 역학 제도는 무엇인가?
• RQ3 신호 대비 잡음 비율은 전열화 플랫폼 및 무한 온도 제도에서 일시적 동역학과 가열 속도 관측에 어떻게 기여하는가?
• RQ4 가열 속도는 드라이브 주파수와 어떻게 스케일링되며, 이는 이론적 예측의 지수적 억제와 일치하는가?

주요 결과

• 횡방향 리아소네이션 시간 T′₂ ≈ 90.9초가 측정되었으며, 자연 상태의 자유 유도 감쇠 시간 T₂* ≈ 1.5 ms보다 60,000배 이상 길다.
• 시스템은 573초 이상 안정적인 전열화 플랫폼 상태를 유지하였으며, 이는 약 580만 개의 제어 펄스와 10^10개 이상의 스핀 진동 수를 포함한다.
• 네 가지의 구분된 열역학적 평형화 제도가 확인되었다: (1) 전열화 플랫폼으로의 짧은 시간 임펄스, (2) 플랫폼 유지, (3) 제약 없는 열역학적 평형화로의 전이, (4) 최종적으로 무한 온도로의 가열.
• 고주파 드라이브 조건에서 가열 속도는 약 ∝ exp(−t^{1/2})로 스케일링되었으며, 에너지 흡수 억제 이론 예측과 일치한다.
• 광학적 초극성화와 연속적 읽기의 조합으로 인해, 한 샷당 신호 대비 잡음 비율이 10^9를 초월하여 고정밀도의 동역학 추적 가능성이 확보되었다.
• 임펄스 응답의 고조파 진동은 전열화 플랫폼으로의 접근 과정에서의 공명적 동역학을 드러내었으며, 주기적 구동 하에서 효과적 보존 양의 존재를 확인하였다.