[논문 리뷰] Optically induced static magnetic field in ensemble of nitrogen-vacancy centers in diamond

Farid Kalhor, Noah Opondo외 5명|arXiv (Cornell University)|2022. 05. 06.

Diamond and Carbon-based Materials Research참고 문헌 15인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 탄소 블록 다이아몬드 내의 질소빈공(NV) 중심 엔sembles에 대해 타원편광 광비트의 광자 스핀 밀도(PSD)와의 공명 상호작용을 통해 유도된 효과적인 정적 자기장을 생성함을 보여준다. 유도된 자기장은 실온에서 블로흐 구면상에서 10도 이상의 측정 가능한 스핀 회전을 유도하며, 이는 온칩 양자 기술 분야에 잠재적인 응용이 있는 전적으로 광학적이고 공명적인 스핀 큐비트 제어를 가능하게 한다.

ABSTRACT

Generation of local magnetic field at the nanoscale is desired for many applications such as spin-qubit-based quantum memories. However, this is a challenge due to the slow decay of static magnetic fields. Here, we demonstrate photonic spin density (PSD) induced effective static magnetic field for an ensemble of nitrogen-vacancy (NV) centers in bulk diamond. This locally induced magnetic field is a result of coherent interaction between the optical excitation and the NV centers. We demonstrate an optically induced spin rotation on the Bloch sphere exceeding 10 degrees which has potential applications in all optical coherent control of spin qubits.

연구 동기 및 목표

• 블록 다이아몬드 내의 NV 중심 엔sembles에서 광자 스핀 밀도(PSD)를 통해 효과적인 정적 자기장을 생성하는 것을 입증하는 것.
• 광학적으로 유도된 자기장을 이용해 스핀 큐비트의 공명적이고 전적으로 광학적인 제어를 가능하게 하는 것.
• 팁 기반 시스템에 비해 광학적 왜곡이 최소한인 블록 다이아몬드 플랫폼에서 효과를 검증하는 것.
• 최적의 큐비트 제어를 위한 유도된 자기장의 PSD, 디튜닝 및 파장 의존성을 정량화하는 것.
• 공명 외 흡수를 최소화하고 Hahn 에코 기법을 활용하여 낮은 디코herence를 확보하는 것.

제안 방법

• 타원편광 광비트를 블록 다이아몬드 샘플에 집중시켜 NV 중심 엔sembles에 작용시킴.
• 광자 스핀 밀도(PSD)를 원형 편광의 공간 분포로 정의하며, ⃗Sobs^E = (ϵ/4ω₀)Im(⃗E∗×⃗E)로 기술함.
• 다이아몬드 표면에 수직인 외부 자기장을 적용하여, PSD 방향과 일치시켜 모든 NV 중심의 방향에 걸쳐 균일한 스핀 회전을 확보함.
• 스핀 공명 시간을 연장하고 측정 정밀도를 향상시키기 위해 Hahn 에코 기법을 적용함.
• PSD 강도 및 상호작용 시간에 따라 블로흐 구면상의 스핀 회전을 측정함.
• 파장 및 디튜닝 의존성을 분석하여 큐비트 제어에 최적의 영역을 규명함.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 무작위로 배열된 NV 중심 엔sembles에서 실온 조건에서도 광학적으로 유도된 효과적인 정적 자기장을 관측할 수 있는가?
• RQ2 유도된 자기장 강도는 NV 중심 전이에 대한 광비트 주파수와의 디튜닝 및 광자 스핀 밀도(PSD)에 어떻게 의존하는가?
• RQ3 광학적 자극 중 공명 외 흡수가 스핀 공명에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 유도된 자기장은 광대역인가? 그리고 자극 광비트의 파장에 따라 어떻게 변화하는가?
• RQ5 Hahn 에코 기법은 광학적으로 유도된 자기장과의 상호작용 중 디코herence를 효과적으로 완화하는가?

주요 결과

• 블로흐 구면상에서 10도 이상의 광학적으로 유도된 스핀 회전이 관측되어, NV 중심 스핀 큐비트의 공명적 제어가 가능함을 입증함.
• 유도된 자기장 강도는 광비트 주파수와 NV 중심 전이 주파수 간의 디튜닝에 반비례함.
• 효과는 광대역이며 다양한 파장 범위에서 측정 가능한 스핀 회전을 보이며, 다양한 광학적 제어 가능성을 시사함.
• 공명 외 흡수량은 미미하여 스핀 공명을 유지하고 장시간 상호작용이 가능함.
• Hahn 에코 기법이 공명 시간을 성공적으로 연장하여 광학적으로 유도된 자기장의 신뢰성 있는 검출이 가능함.
• 평면형 표면을 가진 블록 다이아몬드를 사용함으로써 광학적 필드 왜곡을 최소화하고, PSD 기반 효과의 정량적 연구가 가능함.