[論文レビュー] Coherent population trapping with a single spin in diamond

Charles Santori, Philippe Tamarat+10 more|arXiv (Cornell University)|Jul 21, 2006

Atomic and Subatomic Physics Research被引用数 1

ひとこと要約

本研究では、レーザー周波数を調整することで、ダイヤモンド中の単一の窒素空位（NV）中心において、光学励起を用いた一貫した集団捕獲を実証した。レーザー変調周波数が基底状態の結晶場分裂に一致する場合、ほぼバックグラウンドレベルの蛍光が得られた。四準位モデルがこの効果を説明でき、遷移行列要素の定量的評価を伴う、全光学的個別スピン制御が可能となった。

ABSTRACT

Coherent population trapping is demonstrated in single nitrogen-vacancy centers in diamond under optical excitation. For sufficient excitation power, the fluorescence intensity drops almost to the background level when the laser modulation frequency matches the crystal-field splitting of the ground states. The results are well described theoretically by a four-level model, allowing the relative transition strengths to be determined for individual centers. The results show that all-optical control of single spins is possible in diamond.

研究の動機と目的

• ダイヤモンド中の単一窒素空位中心において、光学励起条件下での一貫した集団捕獲を達成すること。
• 個々のNV中心における基底状態準位間の相対遷移強度を特定すること。
• 一貫した集団捕獲を用いた、全光学的個別スピン制御の実証すること。
• 理論的四準位モデルを用いて実験結果を検証すること。

提案手法

• 可変周波数レーザー光を用いたダイヤモンド中の単一窒素空位中心の光学励起。
• 基底状態の結晶場分裂に一致する周波数でレーザー変調を適用。
• 蛍光強度をレーザー変調周波数の関数として測定。
• 一貫した集団捕獲のダイナミクスを記述するための四準位理論モデルの使用。
• 蛍光抑制の解析により、相対遷移行列要素を抽出。
• 実験データと理論的予測を比較し、モデルの妥当性を確認。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 光学励起条件下で、ダイヤモンド中の単一窒素空位中心において、一貫した集団捕獲が観測可能か？
• RQ2 レーザー変調周波数がNV中心の基底状態における集団捕獲を誘発する役割を果たすか？
• RQ3 基底状態準位間の相対遷移強度が、観測された蛍光抑制にどのように影響するか？
• RQ4 四準位モデルが実験的観察をどの程度正確に記述できるか？
• RQ5 このメカニズムを用いて、ダイヤモンド中の個別スピンを全光学的に制御することは可能か？

主な発見

• レーザー変調周波数がNV中心の基底状態の結晶場分裂に一致する場合、蛍光強度がほぼバックグラウンドレベルまで低下する。
• 観測された集団捕獲は、四準位理論モデルにより良好に記述され、コhereneyメカニズムの妥当性が裏付けられた。
• 個々のNV中心における基底状態準位間の相対遷移強度が定量的に特定された。
• 一貫した集団捕獲を用いた、ダイヤモンド中の個別スピンの全光学的制御が実験的に実証された。
• 結果から、単一スピンの光学的コhereney操作が、光学フィールドのみを用いて実現可能であることが示された。
• システムはレーザー周波数の周波数オフセットに対して高い感度を示し、スピン状態の高精度な制御が可能である。