[论文解读] Optically induced static magnetic field in ensemble of nitrogen-vacancy centers in diamond

Farid Kalhor, Noah Opondo+5 more|arXiv (Cornell University)|May 6, 2022

Diamond and Carbon-based Materials Research参考文献 15被引用 6

一句话总结

本文通过氮空位（NV）中心与椭圆偏振光束的光子自旋密度（PSD）相干相互作用，在体氮化金刚石中实现了光学诱导的有效静态磁场。该诱导磁场在室温下可引起超过10度的贝尓格球面上自旋旋转，实现了所有光学方式的自旋量子比特相干控制，具有在片上量子技术中应用的潜力。

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.

研究动机与目标

• 通过体金刚石中NV中心阵列的光子自旋密度（PSD）实现有效静态磁场的生成。
• 利用光学诱导的磁场实现自旋量子比特的相干、全光学控制。
• 在光学畸变最小的体金刚石平台中验证该效应，相较于基于探针的系统更具优势。
• 量化诱导磁场对PSD、失谐和波长的依赖关系，以实现最优的量子比特控制。
• 通过最小化非共振吸收并利用哈恩回波技术，确保低退相干。

提出的方法

• 使用聚焦的椭圆偏振光束照射含有NV中心阵列的体金刚石样品。
• 将光子自旋密度（PSD）定义为圆偏振度的空间分布，其中 ⃗Sobs^E = (ϵ/4ω₀)Im(⃗E∗×⃗E)。
• 施加一个垂直于金刚石表面的偏置磁场，方向与PSD方向一致，以确保所有NV中心取向的自旋旋转均匀。
• 采用哈恩回波技术延长自旋相干时间，提高测量保真度。
• 测量自旋旋转在贝尓格球面上随PSD强度和相互作用时间的变化。
• 分析波长和失谐依赖性，以确定最优的量子比特控制区域。

实验结果

研究问题

• RQ1 尽管NV中心取向随机，是否能在体金刚石中的NV中心阵列中观测到光学诱导的有效静态磁场？
• RQ2 诱导磁场的强度如何依赖于光子自旋密度（PSD）和与NV中心跃迁的失谐？
• RQ3 非共振吸收在光学激发过程中对自旋相干性的影响程度如何？
• RQ4 该诱导磁场是否具有带宽特性？其随激发光波长的变化规律如何？
• RQ5 哈恩回波技术是否能有效缓解与光学诱导磁场相互作用过程中的退相干？

主要发现

• 观测到贝尓格球面上超过10度的光学诱导自旋旋转，证明了对NV中心自旋量子比特的相干控制。
• 诱导磁场强度与光束频率和NV中心跃迁之间的失谐成反比。
• 该效应具有带宽特性，在多种波长范围内均能观测到可测量的自旋旋转，表明其在光学控制中具有广泛适用性。
• 非共振吸收极低，保持了自旋相干性，从而支持长时间的相互作用。
• 哈恩回波技术成功延长了相干时间，实现了对光学诱导磁场的可靠检测。
• 采用具有平面界面的体金刚石可最小化光学场畸变，从而实现对基于PSD效应的定量研究。