[논문 리뷰] Nanoscale engineering and dynamical stabilization of mesoscopic spin textures

Kieren A. Harkins, Christoph Fleckenstein외 17명|arXiv (Cornell University)|2023. 10. 09.

Diamond and Carbon-based Materials Research인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 열화 동역학을 활용하여 다이아몬드 내 NV 중심을 나노스케일 극화 주입기 및 에너지 손실원으로 삼아, 고온의 핵 스핀 집합체에서 메조스코픽한 껍질 모양의 스핀 구조를 설계하고 안정화하는 새로운 방법을 제시한다. 푸앵카르에 의해 구동되는 전자 기울기장 하에서의 사전열화(prethermalization)를 이용해, 수백 개의 스핀과 몇 나노미터에 걸친 긴 수명을 지닌 안정된 스핀 구조를 달성하였으며, 이들의 양자 얽힘 시간은 상호작용 시간스케일의 100만 배 이상을 초과한다. 이는 개별 스핀 제어 없이도 강건한 비국소적 제어 및 측정이 가능하게 한다.

ABSTRACT

Thermalization phenomena, while ubiquitous in quantum systems, have traditionally been viewed as obstacles to be mitigated. In this study, we demonstrate the ability, instead, to harness thermalization to dynamically engineer and stabilize structured quantum states in a mesoscopically large ensemble of spins. Specifically, we showcase the capacity to generate, control, stabilize, and read out 'shell-like' spin texture with interacting $ {}^{ 13}\mathrm{C}$ nuclear spins in diamond, wherein spins are polarized oppositely on either side of a critical radius. The texture spans several nanometers and encompasses many hundred spins. We capitalize on the thermalization process to impose a quasi-equilibrium upon the generated texture; as a result, it is highly stable, immune to spin diffusion, and endures over multiple-minute long periods -- over a million times longer than the intrinsic interaction scale of the spins. Additionally, the texture is created and interrogated without locally controlling or probing the nuclear spins. These features are accomplished using an electron spin as a nanoscale injector of spin polarization, and employing it as a source of spatially varying dissipation, allowing for serial readout of the emergent spin texture. Long-time stabilization is achieved via prethermalization to a Floquet-induced Hamiltonian under the electronic gradient field. Our work presents a new approach to robust nanoscale spin state engineering and paves the way for new applications in quantum simulation, quantum information science, and nanoscale imaging.

연구 동기 및 목표

• 열화를 양자 시스템에서 해로운 과정으로 보는 전통적 관점을 뛰어넘어, 이를 복잡한 스핀 상태의 안정화에 활용하고자 한다.
• 국소적 제어나 측정 없이 고온의 핵 스핀 집합체에서 장수명의 메조스코픽 스케일 스핀 구조를 달성하고자 한다.
• 단일 NV 중심을 나노스케일 탐사기 및 주입기로 활용하여 복잡한 스핀 구조를 스케일업 가능하고 침습적이지 않은 방식으로 생성하고 모니터링하는 방법을 제시하고자 한다.
• 장거리 상호작용 스핀 시스템에서 공학된 에너지 손실과 사전열화를 통해 강건한 양자 상태 공학의 프레임워크를 구축하고자 한다.

제안 방법

• 다이아몬드 내 NV 중심을 스핀 극화의 나노스케일 소스이자 공간적으로 변화하는 에너지 손실원으로 활용하여 스핀 구조를 주입하고 형상화한다.
• NV 전자의 시간 주기적(Floquet) 구동을 통해 사전열화된 효과적 해밀토니안을 유도함으로써 스핀 구조를 안정화시킨다.
• NV의 자석 듀플렛장에 의해 공간적으로 변화하는 효과적 현탁력(onsite potential)을 적용하여 주변 13C 핵 스핀에 반경 방향 극화 기울기를 생성한다.
• NV 중심을 통한 순차적 측정을 통해 개별 핵 스핀을 국소적으로 제어하거나 측정하지 않고도 실시간으로 발생하는 스핀 구조를 모니터링한다.
• 최소 스핀 간격 2a 이하의 짧은 시간 변동을 무시한 채, 군집화된 격자 모델을 사용한 고전적 시뮬레이션을 통해 장시간 동역학을 검증한다.
• 여러 격자 구성과 초기 상태에 대해 평균을 내어 NV 환경의 통계적 행동을 모델링하며, 실험적 집합 평균과 일치시킨다.

Fig. 1: System and readout. (A) Spin-textures. Controllable “shell-like” spin texture of positive and negative polarization (shaded red and blue, respectively) is generated in a nanoscale ensemble of ${}^{13}\textrm{C}$ nuclear spins surrounding a central NV electron (manipulated by an external lase

실험 결과

연구 질문

• RQ1 열화 동역학을 복잡하고 메조스코픽 스케일의 스핀 구조를 안정화시키는 데 활용할 수 있는가?
• RQ2 단일 NV 중심이 개별 스핀 제어 없이도 대규모 핵 스핀 집합체의 비국소적 순차적 측정과 제어를 가능하게 할 수 있는가?
• RQ3 푸앵카르 구동 하에서의 사전열화가 스핀 확산과 얽힘 상실에 대해 얼마나 오랫동안 스핀 구조를 안정화시킬 수 있는가?
• RQ4 NV에서 유래하는 효과적 잠재력의 공간 비균일성이 껍질 모양의 극화 프로파일 형성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 장거리 디폴라 상호작용은 고온 시스템에서 매크로스코픽하고 안정적인 스핀 구조 형성에 어떤 역할을 하는가?

주요 결과

• 시스템은 임계 반경을 기준으로 양쪽면에서 반대 극화를 가지는 껍질 모양의 스핀 구조를 안정화시키며, 수백 개의 13C 핵 스핀을 포함하고 몇 나노미터에 걸쳐 퍼져 있다.
• 스핀 구조는 3분 이상 지속되며, 이는 스핀-스핀 상호작용 시간스케일보다 100만 배 이상 긴 수명을 지닌다. 이는 매우 뛰어난 안정성을 보여준다.
• 스핀 구조는 푸앵카르에 의해 유도된 효과적 해밀토니안으로 사전열화를 통해 동적으로 안정화되며, 스핀 확산과 제어 오류로부터 강건하다.
• 늦은 시점의 극화 프로파일은 NV에서 유래한 공간적으로 변화하는 효과적 잠재력과 일치하며, 이는 시스템이 ETH (고유상태 열화학적 가정)에 의해 지배되는 준평형 상태에 도달했다는 것을 확인한다.
• 단일 NV 중심만을 사용하여도 개별 핵 스핀의 국소적 조작이나 측정 없이도 스핀 구조의 연속적이고 순차적인 측정이 가능하다.
• 고전적 시뮬레이션은 실험 관측과 일치하는 안정적이고 비균일한 극화 프로파일의 형성을 확인하며, 군집화된 동역학 하에서 이론 모델의 타당성을 검증한다.

Fig. 2: Spin textures via hyperpolarization injection (State Engineering). (A) Net ${}^{13}\textrm{C}$ spin polarization under positive hyperpolarization buildup ( $\tau_{+}$ , red points), followed by negative hyperpolarization injection after $\tau_{+}{=}60$ s ( $\tau_{-}$ , blue points) at room t