[論文レビュー] Characterization of hyperfine interaction between single electron and single nuclear spins in diamond assisted by quantum beat from the nuclear spin

Jeong Hyun Shim, B. Nowak+4 more|arXiv (Cornell University)|Jul 1, 2013

Diamond and Carbon-based Materials Research被引用数 5

ひとこと要約

本論文は、ダイヤモンド中の窒素空孔（NV）中心の電子スピンと13C核スピンのハイパーフィン相互作用を正確に特徴付けるために、新規の量子ビート補助ラマーシー干渉計を提案する。ゼロ量子ラマーシー干渉縞とシングル量子ラマーシー干渉縞を活用することで、ハイパーフィンテンソルのすべての成分を0.5 MHz未満の精度で推定可能となり、相互作用の主軸を実験的に特定した。これにより、ハイブリッド電子核スピンキュービットの高精度制御が可能となる。

ABSTRACT

Precise characterization of a hyperfine interaction is a prerequisite for high fidelity manipulations of electron and nuclear spins belonging to a hybrid qubit register in diamond. Here, we demonstrate a novel scheme for determining a hyperfine interaction, using single-quantum and zero-quantum Ramsey fringes, by applying it to the system of a Nitrogen Vacancy (NV) center and a $^{13}$C nuclear spin in the 1$^{\mathrm{st}}$ shell. The zero-quantum Ramsey fringe, analogous to the quantum beat in a $Λ$-type level structure, particularly enhances the measurement precision for non-secular hyperfine terms. Precisions less than 0.5 MHz in the estimation of all the components in the hyperfine tensor were achieved. Furthermore, for the first time we experimentally determined the principal axes of the hyperfine interaction in the system. Beyond the 1$^{\mathrm{st}}$ shell, this method can be universally applied to other $^{13}$C nuclear spins interacting with the NV center.

研究の動機と目的

• ハイパーフィン相互作用を正確に特徴付けることで、ダイヤモンド中のハイブリッド電子核スピンキュービットの高精度制御を実現すること。
• 既存手法が非保存項に対して全テンソル特徴付けと高精度を欠いているという限界を克服すること。
• 13C-NV系におけるハイパーフィン相互作用の主軸を実験的に特定すること。これは正確なスピン操作に不可欠である。
• NV中心の第一協位殻内の13C核スピンに対するハイパーフィン相互作用を特徴付ける普遍的かつ応用可能な手法を開発すること。

提案手法

• 非保存項への感度を高めるために、Λ型系における量子ビートに類似したゼロ量子ラマーシー干渉縞を用いる。
• 遷移周波数を高分解能で測定するため、シングル量子ラマーシー干渉縞を用いる。これにより、ハイパーフィンパラメータの正確な推定が可能となる。
• NVフレームにおけるハイパーフィンハミルトニアンは、$\mathcal{H}_{\textrm{hf}} = A_{zz}S_zI_z + A_{xx}S_xI_x + A_{yy}S_yI_y + a(S_zI_x + S_xI_z)$ として表され、対称性制約は課さない。
• 単一遷移軸の方向は、ゼロ量子ラマーシー系列における振動振幅を最小化することで特定され、一方の遷移振幅が消える条件を同定する。
• ハイパーフィンパラメータに依存する遷移周波数の数値シミュレーションを用いて、感度係数$c\{A\}$を計算し、パラメータ推定を支援する。
• ラマーシー干渉縞の実験データを理論モデルにフィットさせ、全ハイパーフィンテンソル成分を高精度で抽出する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ゼロ量子ラマーシー干渉縞は、NV中心系における非保存ハイパーフィン相互作用測定の精度を向上させることができるか？
• RQ2 非対角項を含むハイパーフィンテンソルのすべての成分の推定精度として達成可能な水準は何か？
• RQ3 13C-NV系において、ハイパーフィン相互作用の主軸を実験的に特定できるか？
• RQ4 本手法は、異なる磁場方向や実験的不確実要因に対しても良好に機能するか？

主な発見

• ハイパーフィンテンソルのすべての成分が、不確実性3％未満で特定され、各成分の推定精度が0.5 MHz未満に達した。
• 本手法により、13C-NV系におけるハイパーフィン相互作用の主軸が実験的に特定された。これは、同種の系において初の成果である。
• 感度係数$c\{A_{zz}\}$と$c\{A_{zx}\}$は、他の成分よりも約1桁大きいことが判明し、これらの項に対する感度が高まっていることを示している。
• ゼロ量子ラマーシー干渉縞に見られる系のずれは、$φ$-角度回転中の磁場不均一性に起因しており、約±1 Gの磁場変動が検出された。
• 傾けられた磁場下でのラビ振動は、周期的変調を示し、シミュレーションにより正確に再現された。これにより、モデルの妥当性が裏付けられた。
• 本手法は、NV中心の第一協位殻内の他の13C核スピンに対しても普遍的に適用可能であり、全ハイパーフィン特徴付けが可能となった。