[논문 리뷰] Subnanotesla quantum-interference magnetometry with a single spin in diamond

Andreas Angerer, Tobias Nöbauer외 6명|arXiv (Cornell University)|2015. 09. 04.

Diamond and Carbon-based Materials Research참고 문헌 21인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 이소토프적으로 순수한 다이아몬드에서 단일 질소빈자리(NV) 중심을 이용하여, 두광자 라비 펄스를 통해 |+1⟩ 및 |-1⟩ 상태 간의 공명을 조작함으로써, 피크자기장 감도 2.2 nT/Hz¹/², 정적 자기장에 대한 앨런 편차 800 pT를 달성한 서브나노테슬라 양자간섭 자기계측법을 보여준다. 이 방법은 기존의 |0⟩–|−1⟩ 큐비트 작동 방식에 비해 위상 안정성과 공명 수명을 크게 향상시킨다.

ABSTRACT

We demonstrate a magnetometry technique using nitrogen-vacancy centres in diamond which makes use of coherent two-photon transitions. We find that the sensitivity to magnetic fields can be significantly improved in isotopically purified diamond. Furthermore, the long-term stability of magnetic field measurements is significantly enhanced, thereby reducing the minimum detectable long-term field variations for both quasi-static and periodic fields. The method is useful both for sensing applications and as a spin qubit manipulation technique.

연구 동기 및 목표

• NV 중심 기반 양자 자기계측법의 자기장 감도와 장기 안정성을 향상시키기 위해.
• 기존의 |0⟩–|−1⟩ 기저 대신 |±1⟩ 스핀 준수준만을 활용하여 디코herence를 감소시키기 위해.
• 스핀-1 시스템에서의 공명 두광자 구동이 공명 수명을 향상시키고, 변형 및 횡방향 자기장 변동에 대한 감도를 감소시킴으로써 성능을 향상시킬 수 있음을 입증하기 위해.
• 단일 NV 중심에서 설계된 양자간섭을 통해 정적 및 주기적 자기장을 고감도로 탐지할 수 있도록 하기 위해.

제안 방법

• NV 중심은 |0⟩ 상태로 초기화되고, 조절된 라비 주파수 Ω₊ 및 Ω₋를 가진 STIRAP 유사 두광자 마이크로파 펄스를 이용해 |+1⟩ 및 |-1⟩ 상태의 중첩 상태로 공명적으로 구동된다.
• 횡방향 자기장에 대한 민감도를 최소화하고 |±1⟩ 큐비트 상태의 안정성을 높이기 위해 축방향 30 mT의 자기장 편향장을 적용한다.
• 회전 프레임에서 시스템 해밀토니안을 설계하여 |+1⟩ 및 |-1⟩ 간에 효과적인 이준위계를 만들며, 조절된 마이크로파 필드에 의해 공명 결합이 유도된다.
• 공명 수명 T₂(±1)는 Ω₊ 및 Ω₋에 대해 대칭적이고 가우시안형의 펄스를 사용한 재위상화 순서를 통해 측정되며, 이는 긴 위상 누적 시간을 가능하게 한다.
• 자기장 감도는 광자 셰도우 노이즈와 공명 붕괴로부터 유도된 최소 탐지 가능한 자기장 진폭을 기반으로 정량화되며, 두 시스템 모두에서 p ≈ 2.0로 측정된다.
• 앨런 편차는 장기 안정성을 평가하기 위해 사용되며, 동일한 환경 조건에서 |0⟩–|−1⟩ 및 |±1⟩ 기저에서의 DC 및 AC 측정을 비교한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 다이아몬드 NV 중심에서 |+1⟩ 및 |-1⟩ 상태 간의 공명 두광자 구동이 기존의 표준 |0⟩–|−1⟩ 기저에 비해 스핀 공명 수명을 크게 향상시킬 수 있는가?
• RQ2 |±1⟩ 큐비트 상태 구성이 변형 및 횡방향 자기장 변동에 대한 민감도를 감소시켜 자기장 탐지 성능을 향상시키는가?
• RQ3 |±1⟩ 준수준의 사용이 정적 및 주기적 자기장에 대한 최소 탐지 가능한 자기장 진폭을 어느 정도 향상시키는가?
• RQ4 |±1⟩ 큐비트 상태를 사용할 경우와 |0⟩–|−1⟩ 상태를 사용할 경우에 비해 자기장 측정의 장기 안정성이 적분 시간에 따라 어떻게 변화하는가?
• RQ5 |±1⟩ 기저에서의 공통모드 노이즈 제거 기능이 장기간에 걸쳐 셰도우 노이즈 한계의 AC 자기계측법을 가능하게 하는가?

주요 결과

• |±1⟩ 큐비트 기저에서의 공명 수명 T₂(±1)는 (2.36 ± 0.09) ms로 측정되었으며, 기존의 |0⟩–|−1⟩ 기저에서의 T₂(0,−1) = (1.66 ± 0.16) ms보다 뚜렷한 향상이다.
• 주기적 자기장에 대한 최소 탐지 가능한 자기장 진폭은 |±1⟩ 기저를 사용할 경우 2.2 nT/Hz¹/²로 감소하였으며, 이는 |0⟩–|−1⟩ 기저에서의 6 nT/Hz¹/²보다 훨씬 낮다.
• 정적 자기장 측정에서 앨런 편차는 |±1⟩ 기저에서 약 30분 간의 적분 시간 동안 800 pT에 도달했으며, |0⟩–|−1⟩ 기저에서는 약 1분 후에 10 nT에 도달하였다.
• 공명 붕괴 지수 p는 |±1⟩ 시스템에서 2.02 ± 0.10, |0⟩–|−1⟩ 시스템에서 2.03 ± 0.38로 측정되었으며, 이는 붕괴 형태는 유사하지만 |±1⟩ 케이스에서 더 긴 T₂로 인해 성능이 뛰어나다는 것을 시사한다.
• AC 자기계측법에서 |±1⟩ 기저를 사용할 경우, 약 30분 간격으로 앨런 편차가 약 50 pT 수준에 도달하며, 이는 광자 통계와 측정 지속 시간에 의해만 제한되는 셰도우 노이즈 한계에 도달한 것이다.
• 향상된 안정성과 감도는 |±1⟩ 큐비트 준수준에서의 변형 및 횡방향 자기장 변동에 대한 민감도 감소와 함께, 공통모드 노이즈 제거 기능 덕분에 기인한다.