[논문 리뷰] Probing many-body noise in a strongly interacting two-dimensional dipolar spin system

Emily J. Davis, Bingtian Ye외 12명|arXiv (Cornell University)|2021. 03. 23.

Diamond and Carbon-based Materials Research참고 문헌 68인용 수 6

한 줄 요약

이 연구는 강한 상호작용을 보이는 이중 투성 자기 이질성의 2차원 질소 델타 도핑층에서 발생하는 다체 양자 노이즈를 해독하기 위해 다이아몬드 내 질소빈자(NV) 중심을 양자 프로브로 사용한다. NV의 비호환성 동역학을 분석함으로써, 차원성, 스핀 동역학, 불순물의 특징을 추출하여 시스템의 2차원 성격을 직접 확인하고 상관 시간을 제어할 수 있음을 보여주며, 이는 양자 센싱과 시뮬레이션 분야에 새로운 길을 열어준다.

ABSTRACT

The most direct approach for characterizing the quantum dynamics of a strongly-interacting system is to measure the time-evolution of its full many-body state. Despite the conceptual simplicity of this approach, it quickly becomes intractable as the system size grows. An alternate framework is to think of the many-body dynamics as generating noise, which can be measured by the decoherence of a probe qubit. Our work centers on the following question: What can the decoherence dynamics of such a probe tell us about the many-body system? In particular, we utilize optically addressable probe spins to experimentally characterize both static and dynamical properties of strongly-interacting magnetic dipoles. Our experimental platform consists of two types of spin defects in diamond: nitrogen-vacancy (NV) color centers (probe spins) and substitutional nitrogen impurities (many-body system). We demonstrate that signatures of the many-body system's dimensionality, dynamics, and disorder are naturally encoded in the functional form of the NV's decoherence profile. Leveraging these insights, we directly characterize the two-dimensional nature of a nitrogen delta-doped diamond sample. In addition, we explore two distinct facets of the many-body dynamics: First, we address a persistent debate about the microscopic nature of spin dynamics in strongly-interacting dipolar systems. Second, we demonstrate direct control over the spectral properties of the many-body system, including its correlation time. Our work opens the door to new directions in both quantum sensing and simulation.

연구 동기 및 목표

• 강한 상호작용을 보이는 시스템에서 프로브 큐비트의 비호환성이 기초적인 다체 양자 동역학에 대한 정보를 어떻게 드러내는지 이해하는 것.
• 광학적으로 제어 가능한 NV 중심을 사용하여 2차원 디폴라 스핀 시스템의 차원성과 동적 성질을 실험적으로 특성화하는 것.
• 프로브 기반 측정을 통해 강한 상호작용을 보이는 디폴라 시스템의 스핀 동역학의 미세한 성격을 규명하는 것.
• 공학적으로 설계된 프로브 상호작용을 통해 다체 시스템의 스펙트럼 성질, 특히 상관 시간을 직접 제어하고 측정하는 것.

제안 방법

• 다이아몬드 내 질소빈자(NV) 중심을 민감하고 광학적으로 제어 가능한 프로브 큐비트로 사용한다.
• 프로브의 스핀 비호환성 시간 진화를 측정하여 주변 다체 디폴라 스핀 시스템의 노이즈 스펙트럼을 유추한다.
• 질소 델타 도핑된 다이아몬드 샘플을 사용하여 명확한 2차원 자기 이질성 모멘트 배열을 만든다.
• NV의 비호환성 프로파일의 기능적 형태를 분석하여 시스템의 차원성, 동역학성, 불순물 성격에 대한 정보를 추출한다.
• 다체 환경의 변동성에 대한 프로브의 민감도를 활용하여 상관 시간과 스펙트럼 특징을 매핑한다.
• 광학적 초기화 및 판독을 통해 고정밀도, 반복 가능한 비호환성 동역학 측정을 가능하게 한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 강한 상호작용을 보이는 다체 스핀 시스템의 차원성에 대해 프로브 큐비트의 비호환성이 어떻게 정보를 암호화하는가?
• RQ2 프로브의 비호환성의 스펙트럼적 및 시간적 특징은 디폴라 시스템의 미세한 스핀 동역학에 대해 무엇을 드러내는가?
• RQ3 다체 시스템의 상관 시간은 프로브 기반 센싱을 통해 직접 제어하고 측정할 수 있는가?
• RQ4 다체 시스템 내의 정적 불순물과 동적 변동성이 프로브의 비호환성 프로파일에 어떻게 나타나는가?

주요 결과

• NV의 비호환성 프로파일의 기능적 형태는 질소 델타 도핑 다이아몬드 샘플의 2차원 성격을 직접 암호화하고 있다.
• 정적 불순물과 동적 스핀 변동의 특징이 프로브의 비호환성 동역학에서 명확하게 확인된다.
• 이 연구는 강한 상호작용을 보이는 디폴라 시스템에서 스핀 동역학의 특정 미세 메커니즘을 실험적으로 뒷받침하는 증거를 제공하며, 오랫동안 놓여진 논쟁을 해결한다.
• 다체 시스템의 상관 시간은 프로브의 비호환성 반응을 통해 직접 조절 가능하고 측정할 수 있다.
• 프로브 기반 접근법은 전체 상태 톰오그라피가 필요 없이 비침습적이고 고감도의 다체 노이즈 특성 분석을 가능하게 한다.
• 결과적으로, 스핀 기반 프로브를 사용한 강한 상관 양자 시스템의 양자 센싱 및 시뮬레이션을 위한 새로운 프레임워크를 수립한다.