[논문 리뷰] Long-distance excitation of nitrogen-vacancy centers in diamond via surface spin waves

Daisuke Kikuchi, Dwi Prananto외 8명|arXiv (Cornell University)|2017. 08. 02.

Diamond and Carbon-based Materials Research참고 문헌 31인용 수 58

한 줄 요약

이 연구는 희토류 철 거순석(여기온, YIG) 디스크를 통해 전파되는 자기정적 표면 스핀 웨이브(MSSW)를 이용해 다이아몬드 내 질소빈약(NV) 중심을 장거리, 일관성 있게 조작하는 것을 보여준다. 마이크로파 안테나를 사용해 MSSW를 자극함으로써 연구진은 환경 조건 하에서 최대 3.6 mm 떨어진 NV 중심의 공명 스핀 제어를 달성하였으며, 스핀 웨이브를 통한 결합으로 인해 마이크로파 필드 강도가 100배 이상 증폭되었다.

ABSTRACT

Coherent communication over mesoscale distances is a necessary condition for the application of solid-state spin qubits to scalable quantum information processing. Among other routes under study, one possibility entails the generation of magnetostatic surface spin waves (MSSW) dipolarly coupled to shallow paramagnetic defects in wide-bandgap semiconductors. As an initial step in this direction, here we make use of room-temperature MSSWs to mediate the interaction between the microwave field from an antenna and the spin of a nitrogen-vacancy (NV) center in diamond. We show that this transport spans distances exceeding 3 mm, a manifestation of the MSSW robustness and long diffusion length. Using the NV spin as a local sensor, we find that the MSSW amplitude grows linearly with the applied microwave power, suggesting this approach could be extended to amplify the signal from neighboring spin qubits by several orders of magnitude.

연구 동기 및 목표

• 자성체 YIG 기반 기질에서 표면 스핀 웨이브를 이용해 다이아몬드 내 NV 중심의 일관성 있는 장거리 제어를 보여주는 것.
• MSSW를 칩 통합 스핀 큐비트를 위한 양자 버스로 사용할 수 있는지 탐색하는 것.
• MSSW 전파를 통해 먼 거리에 있는 NV 중심에서의 마이크로파 필드 증폭을 정량화하는 것.
• MSSW가 확장 가능한 양자 정보 처리 및 나노스케일 스핀 센싱에 어떻게 활용될 수 있는지 탐색하는 것.

제안 방법

• 마이크로파 구동 금속 와이어 안테나를 사용해 0.4mm 두께의 YIG 디스크에서 자기정적 표면 스핀 웨이브(MSSW)를 자극하는 것.
• 532 nm 레이저를 사용한 공명형 현미경을 이용해 타입-IIa 다이아몬드 크리스탈 내 NV 중심 스핀의 광학적 초기화 및 판독을 수행하는 것.
• 안테나에서 다양한 거리(최대 3.6 mm)에서 옵티컬로 감지된 자기공명(ODMR) 스펙트럼을 측정하여 MSSW에 의해 유도된 스핀 전이를 탐지하는 것.
• 마이크로파 전력과 자기장 조건을 체계적으로 변화시켜 선형 반응 및 공명 조건을 탐색하는 것.
• YIG가 존재하지 않을 경우의 마이크로파 필드 이론적 추정치와 관측된 라비 주파수를 비교하여 필드 증폭 정도를 정량화하는 것.
• Kittel의 공식과 실험적 피팅을 사용해 MSSW 분산 및 NV 스핀 공명 조건의 일치를 분석하는 것.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 환경 조건 하에서 YIG 기반 MSSW가 메조스케일 거리(3 mm 이상)에서 NV 중심의 일관성 있는 마이크로파 제어를 어떻게 매개할 수 있는가?
• RQ2 직접 안테나 결합 대비 MSSW 전파로 인해 NV 위치의 마이크로파 필드가 얼마나 증폭되는가?
• RQ3 낮은 자기장에서 마이크로파 전력에 대해 시스템이 선형 반응을 보이는가? 이는 민감한 스핀 센싱 응용에 적합한가?
• RQ4 MSSW를 통한 결합을 이용해 먼 거리의 스핀 큐비트를 얽거나 일관성 있게 제어할 수 있는가?
• RQ5 자기장 조정이 NV 스핀 전이와 MSSW 모드 간의 공명을 달성하는 데 어떤 역할을 하는가?

주요 결과

• 마이크로파 안테나에서 최대 3.6 mm 떨어진 곳에 위치한 NV 중심이 MSSW를 통해 일관성 있게 조작되었으며, 장거리 스핀 제어를 입증하였다.
• 직접 안테나에서 유도된 필드 대비 NV 위치에서 마이크로파 필드가 100배 이상 증폭된 것으로 측정되었으며, 증폭 요소는 최대 두 자리 수준까지 도달하였다.
• 마이크로파 전력이 약 10 mW 이하일 때까지 ODMR 디프의 진폭이 선형적으로 증가하여 신호 증폭에 적합한 선형 반응 영역임을 나타내었다.
• 90 mW에서 약 0.17 가우스의 라비 주파수에서 라비 진동이 관측되었으며, 이는 YIG가 없는 경우 예상되는 필드 대비 100배의 증폭에 해당한다.
• MSSW 주파수가 NV 스핀 전이 주파수와 일치할 때 공명 결합이 발생했으며, 180 Oe와 300 Oe에서 공명이 발생할 때 강한 형광 디프가 관측되었다.
• MSSW 주입에 대해 하한 임계값이 관측되지 않았으며, 선형 반응 특성은 페로자성체 증폭을 통한 나노스케일 자기측정 응용 가능성을 시사한다.