[논문 리뷰] Measurement of transverse hyperfine interaction by forbidden transitions

Mo Chen, Masashi Hirose외 1명|DSpace@MIT (Massachusetts Institute of Technology)|2015. 03. 30.

Atomic and Subatomic Physics Research참고 문헌 2인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 핵 스핀 라비 진동 중 비금지 전이에서 유도된 2차 효과를 이용하여 다이아몬드 내 질소빈자(NV) 중심에서 횡방향 초미세결합을 정밀하게 측정하는 방법을 제시한다. 이 기법은 횡방향 초미세결합을 −2.62 ± 0.05 MHz로 고정밀도로 결정할 수 있으며, 수준의 반대칭점 근처에서 핵 라비 주파수를 거의 세 개의 주기만큼 향상시킬 수 있다.

ABSTRACT

Precise characterization of a system's Hamiltonian is crucial to its high-fidelity control that would enable many quantum technologies, ranging from quantum computation to communication and sensing. In particular, non-secular parts of the Hamiltonian are usually more difficult to characterize, even if they can give rise to subtle but non-negligible effects. Here we present a strategy for the precise estimation of the transverse hyperfine coupling between an electronic and a nuclear spin, exploiting effects due to forbidden transitions during the Rabi driving of the nuclear spin. We applied the method to precisely determine the transverse coupling between a Nitrogen-Vacancy center electronic spin and its Nitrogen nuclear spin. In addition, we show how this transverse hyperfine, that has been often neglected in experiments, is crucial to achieving large enhancements of the nuclear Rabi driving.

연구 동기 및 목표

• 전자-핵 스핀 시스템에서 비보존적인 횡방향 초미세결합 상호작용을 정밀하게 특성화하는 것. 이는 종종 간과되지만 양자 제어에 상당한 영향을 미칠 수 있다.
• 단일 스핀 읽기와 호환되지 않는 강한 횡방향 자기장이나 앙상블 기법에 의존하는 이전 방법의 한계를 극복하는 것.
• 비금지 전이에서 유도된 2차 혼합 효과를 활용하여 고속이고 고정밀도의 핵 스핀 조작을 가능하게 하는 것.
• 실리콘 내 도너나 탄소화실리콘의 결함과 같은 다른 전자-핵 하이브리드 시스템에 적용 가능한 확장 가능한 방법을 개발하는 것.
• 양자 센싱, 계산 및 통신 분야의 응용을 위해 해밀토니안 특성화의 정밀도를 향상시키는 것.

제안 방법

• 횡방향 초미세결합으로 인한 전자 및 핵 스핀 상태 간의 2차 혼합 효과를 이용하여, 이질적으로 금지된 전이가 라비 구동 중 발생하도록 한다.
• 기본 상태 수준 반대칭점 근처로 시스템을 조정하기 위해 509 G의 고정된 자기장을 적용하여 횡방향 결합에 의한 라비 주파수 향상을 최대화한다.
• 광학적 형광을 모니터링하면서 적용된 RF 구동 진폭에 따라 핵 라비 주파수를 측정하며, 효과적인 라비 주파수는 Ωₘ = √(Ω² + δ²)로 모델링된다. 여기서 δ는 떨어짐이다.
• 실험 데이터는 이론적 라비 주파수 향상 공식(5–7)에 적합시키며, 이는 횡방향 초미세결합 A⊥를 포함한다. 이를 통해 순수 라비 주파수의 독립적 측정이 필요 없이 A⊥를 추출할 수 있다.
• 고정밀 자기장 정렬이나 앙상블 평균에 의존하지 않아 단일 스핀 측정에서도 고정밀도를 달성할 수 있다.
• 실험 조건 하에서 펄스 완전성 및 핵 스핀 극화와 같은 체계적 오차는 A⊥ 추정에 미미한 영향을 미친다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 단일 스핀 광학 검출을 이용한 이전 측정보다 정밀도가 높은 횡방향 초미세결합 상수를 NV 중심에서 측정할 수 있는가?
• RQ2 수준 반대칭점 근처에서 횡방향 초미세결합 상호작용은 핵 라비 주파수를 얼마나 향상시키는가?
• RQ3 비금지 전이에서 유도된 2차 효과를 어떻게 활용하여 비보존 해밀토니안 매개변수를 추출할 수 있는가?
• RQ4 A⊥ 측정에서 지배적인 불확실성 원인은 무엇이며, 이를 어떻게 최소화할 수 있는가?
• RQ5 이 방법은 다른 전자-핵 스핀 시스템에 일반화되어 고정밀도 해밀토니안 특성화에 응용될 수 있는가?

주요 결과

• 횡방향 초미세결합 상수는 매우 정밀하게 A⊥ = −2.62 ± 0.05 MHz로 측정되었으며, 이는 이전의 단일 스핀 측정을 뛰어넘는 정밀도를 확보한다.
• 이전의 앙상블 기반 ESR 기법보다 더 높은 정밀도를 달성하였으며, 특히 강한 횡방향 자기장을 사용할 수 없는 단일 스핀 영역에서 유의미한 향상이 있다.
• 이론적 모델링은 수준 반대칭점 근처에서 라비 주파수 향상이 거의 세 개의 주기 수준에 이르게 되며, 중간 정도의 구동 전력으로 MHz 수준의 핵 스핀 제어가 가능하다고 예측한다.
• A⊥ 추정에서 지배적인 불확실성 원인은 광학 읽기에서 기인한 광자 쇼트 노이즈이며, 더 긴 평균화 또는 향상된 탐지 방법을 통해 향상 가능성이 있다.
• 펄스 완전성 및 떨어짐과 같은 체계적 오차는 불확실성에 선형적으로 기여하며, 실험 조건 하에서는 무시할 수 있다.
• 이 방법은 강건하고 일반화 가능하며, 실리콘 내 인 또는 antimony 도너, 또는 탄소화실리콘의 결함과 같은 다른 전자-핵 하이브리드 시스템에 응용 가능성이 있다.