[論文レビュー] Theory of the ground state spin of the NV- center in diamond: II. Spin solutions, time-evolution, relaxation and inhomogeneous dephasing

Marcus W. Doherty, Florian Dolde+5 more|arXiv (Cornell University)|Nov 25, 2011

Diamond and Carbon-based Materials Research被引用数 123

ひとこと要約

本稿は、任意の電場、磁場、応力場下におけるダイヤモンド中のNV⁻中心の基底状態スピンの包括的な理論的枠組みを提示し、正確なスピン解とダイナミクスを導出する。スピンの進化、緩和、不均一な位相崩壊に関する最初の一般解を確立し、量子メトロロジーおよび量子情報処理応用分野において必須となる高精度な制御とモデリングを可能にする。

ABSTRACT

The ground state spin of the negatively charged nitrogen-vacancy center in diamond has many exciting applications in quantum metrology and solid state quantum information processing, including magnetometry, electrometry, quantum memory and quantum optical networks. Each of these applications involve the interaction of the spin with some configuration of electric, magnetic and strain fields, however, to date there does not exist a detailed model of the spin's interactions with such fields, nor an understanding of how the fields influence the time-evolution of the spin and its relaxation and inhomogeneous dephasing. In this work, a general solution is obtained for the spin in any given electric-magnetic-strain field configuration for the first time, and the influence of the fields on the evolution of the spin is examined. Thus, this work provides the essential theoretical tools for the precise control and modeling of this remarkable spin in its current and future applications.

研究の動機と目的

• 任意の外部場配置下におけるNV⁻中心の基底状態スピンの完全な理論的モデルの構築。
• ダイヤモンド中におけるスピンと電場、磁場、応力場の間の相互作用を詳細にモデル化する長年の欠如を解消すること。
• 場の不均一性および格子振動がスピン緩和および位相崩壊に与える影響の分析。
• 量子技術分野におけるNV⁻スピンの高精度な制御と正確なモデリングの基盤を提供すること。
• 異なるノイズ支配の位相崩壊領域を切り替えることができる場の配置の同定。

提案手法

• ゼーマン項、スターリング項、応力項、スピン-格子結合項を含む一般化ハミルトニアンを用いて正確なスピン解を導出する。
• 時間に依存する摂動論を用いて、動的場シーケンス下でのスピン進化をモデル化する。
• 場の分布に関する統計的平均化を用いて不均一場効果を組み込む。
• フェルミの黄金律を用いて緩和をモデル化し、磁気的および振動的寄与をT₁およびT₂に含める。
• 静的な場、温度、場の角度の関数として、緩和率1/T₁および1/T₂の明示的表現を導出する。
• スピン-格子結合パラメータχを用いて弾性散乱寄与を定量化し、電場-応力場によるその調整可能性を示す。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 静的な電場、磁場、応力場の任意の組み合わせ下で、NV⁻スピンはどのように進化するか？
• RQ2 場の不均一性が存在する状況で、どのような場の配置が不均一な位相崩壊を最小または最大にするか？
• RQ3 磁気的および振動的相互作用は、スピン緩和（T₁）および位相崩壊（T₂）率にどのように寄与するか？
• RQ4 電場-応力場を用いてスピン-格子結合パラメータχを調整可能か？また、これにより位相崩壊を制御できるか？
• RQ5 実際の実験条件下における温度および場依存性は、緩和および位相崩壊にどのように現れるか？

主な発見

• 本稿は、任意の電場-磁場-応力場配置下におけるNV⁻スピンの最初の一般解析的解を導出する。
• 緩和率1/T₁は、磁場にγ₋₀ʳ + γ₀₋ʳに依存し、温度に伴う振動的寄与（2Γvib1ω₋²T + 2Γvib2nT(ωl)[nT(ωl)+1] + 2Γvib3T⁵）によっても依存することが示された。
• 位相崩壊率1/T₂は磁気的寄与γ₋₀ᵖが支配的であり、電場-応力場の向きに依存する調整可能な項[1/χ² + (3−sinθcos3ϕE) + χ²]を含む。
• スピン-格子寄与による1/T₁は、ω₋²に起因してわずかに場に依存するが、アンサンブル効果に埋もれて実験的に観測されていない。
• 1/T₁におけるT⁵およびT項は、非弾性ラマン散乱および音響フォノン結合の実験的観測と整合的である。
• 本モデルは、高純度なダイヤモンド試料が、電場-応力場の調整によりスピン-格子寄与によるT₂の寄与を明らかにできることを予測している。