[논문 리뷰] Probing dynamics of a two-dimensional dipolar spin ensemble using single qubit sensor

Kristine Rezai, Soonwon Choi외 2명|arXiv (Cornell University)|2022. 07. 21.

Diamond and Carbon-based Materials Research인용 수 7

한 줄 요약

이 연구는 다이아몬드 표면에 존재하는 2차원 디폴라 스핀 에너지 준서에서 스핀 동역학을 탐사하기 위해 다이아몬드 내 단일 질소빈자리(NV) 중심을 나노스케일 자기 센서로 사용한다. 강한 디폴라 상호작용에도 불구하고, 변동하는 핵 스핀 초자기장으로 인한 동적 무질서로 인해 개별 스핀의 붕괴가 이례적으로 느리다. 이는 동적 공명 수세기(dynamic resonance counting)를 통해 정량적으로 설명되며, 공명 스핀 锁정 driving를 통해 효과적인 무질서 강도를 조절함으로써 검증된다.

ABSTRACT

Understanding the thermalization dynamics of quantum many-body systems at the microscopic level is among the central challenges of modern statistical physics. Here we experimentally investigate individual spin dynamics in a two-dimensional ensemble of electron spins on the surface of a diamond crystal. We use a near-surface NV center as a nanoscale magnetic sensor to probe correlation dynamics of individual spins in a dipolar interacting surface spin ensemble. We observe that the relaxation rate for each spin is significantly slower than the naive expectation based on independently estimated dipolar interaction strengths with nearest neighbors and is strongly correlated with the timescale of the local magnetic field fluctuation. We show that this anomalously slow relaxation rate is due to the presence of strong dynamical disorder and present a quantitative explanation based on dynamic resonance counting. Finally, we use resonant spin-lock driving to control the effective strength of the local magnetic fields and reveal the role of the dynamical disorder in different regimes. Our work paves the way towards microscopic study and control of quantum thermalization in strongly interacting disordered spin ensembles.

연구 동기 및 목표

• 장거리 디폴라 상호작용과 동적 무질서를 갖는 양자 다체계의 미시적 붕괴 동역학을 이해하기 위해.
• 디폴라 결합으로 예상되는 빠른 붕괴와는 대조적으로 표면 스핀 에너지 준서에서 관측된 이례적인 느린 스핀 붕괴 간의 괴리를 해결하기 위해.
• 동적 공명 수세기를 사용하여 느린 붕괴를 정량적으로 설명하는 모델을 개발하기 위해.
• 공명 스핀 锁정 driving를 통해 효과적인 국소 자기장 강도를 조절함으로써 동적 무질서의 역할을 실험적으로 제어하고 탐지하기 위해.
• 강한 상호작용과 무질서를 갖는 스핀 시스템에서 양자 열역학적 평형화의 미시적 연구 및 제어를 가능하게 하기 위해.

제안 방법

• 다이아몬드 내 근표면에 위치한 질소빈자리(NV) 중심이 표면 전자 스핀의 국소 자기장을 감지하기 위한 단일 큐비트 나노스케일 자기 센서로 기능한다.
• NV 중심은 라마지 간섭측정과 스핀 에코 붕괴를 통해 스핀 동역학을 측정하며, 표면 스핀과의 디폴라 결합은 이중 전자-전자 공명(DEER) 시퀀스를 사용해 특성화한다.
• 공명 라디오주파수(RF) 필드를 적용하여 스핀 锁정을 유도함으로써 효과적인 국소 자기장이 변화하고 동적 무질서 강도가 조절된다.
• 시간에 따라 변화하는 국소 자기 환경을 고려한 동적 공명 수세기를 기반으로 한 이론 모델이 개발되어 관측된 붕괴 속도를 설명한다.
• 핵 스핀 배스 노이즈의 파wer 스펙트럼 밀도에서 효과적인 입자별 무질서 폭을 계산하였으며, 강한 드라이브 조건에서 $ W_{\text{eff}} \propto W^2 / \Omega $ 의 스케일링을 보였다.
• 전이 확률의 수치 시뮬레이션과 해석적 계산을 통해 붕괴 속도를 $ R_{ab} = \pi^2 \gamma_e^2 \rho(\Omega) $ 로 유도하였으며, 여기서 $ \rho(\Omega) $ 는 드라이브 주파수 $ \Omega $ 에서의 파워 스펙트럼 밀도이다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 2차원 디폴라 스핀 에너지 준서에서 스핀 붕괴 속도가 근처 이웃 스핀 간의 디폴라 결합 추정치보다 현저히 느린 이유는 무엇인가?
• RQ2 변동하는 핵 스핀 초자기장으로 인한 동적 무질서는 개별 전자 스핀의 붕괴 동역학에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ3 효과적인 동적 무질서 강도를 실험적으로 제어할 수 있으며, 이는 붕괴 속도에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 무질서 강도와 상관 시간을 변화시킬 때 관측된 붕괴 행동이 유니버설 스케일링 함수에 수렴하는가?
• RQ5 장거리 디폴라 상호작용 존재 조건에서 동적 공명 수세기가 관측된 이례적인 스핀 붕괴를 정량적으로 설명할 수 있는 정도는 어느 정도인가?

주요 결과

• 관측된 스핀 붕괴 속도는 근처 이웃 스핀 간의 디폴라 결합 추정치보다 훨씬 느리며, 이는 단순한 붕괴 모델의 붕괴를 시사한다.
• 이상적으로 느린 붕괴는 근접한 핵 스핀의 시간에 따라 변화하는 초자기장으로 인한 강한 동적 무질서 때문임이 밝혀졌다.
• 동적 공명 수세기를 기반으로 한 정량적 모델이 실험 데이터를 성공적으로 설명하며, 다양한 무질서 강도와 상관 시간에서 유니버설 스케일링 콜라프스를 가능하게 하였다.
• 공명 스핀 锁정 드라이브를 통해 효과적인 국소 자기장 조절이 가능하며, 붕괴 속도는 이론 모델의 예측과 일치한다.
• 붕괴 속도는 해석적 예측 $ R_{ab} = \pi^2 \gamma_e^2 \rho(\Omega) $ 를 따르며, 핵 스핀 배스 노이즈의 파워 스펙트럼 밀도가 붕괴를 결정하는 데 핵심적 역할을 함을 확인하였다.
• 강한 드라이브 조건에서 효과적인 입자별 무질서 폭은 $ W_{\text{eff}} = W^2 / (\sqrt{2} \Omega) $ 로 스케일링되며, 이는 이론 프레임워크의 정당성을 검증한다.