[论文解读] Ultralong Dephasing Times in Solid-State Spin Ensembles via Quantum Control

Erik Bauch, Connor Hart+6 more|DSpace@MIT (Massachusetts Institute of Technology)|Jan 11, 2018

Electronic and Structural Properties of Oxides被引用 23

一句话总结

该论文通过结合氮空位（NV）色心中自旋浴驱动与双量子相干磁力计技术，在固态自旋系综中实现了超长退相干时间。该方法抑制了主要的退相干机制——应变梯度和与顺磁性浴自旋的偶极相互作用，使室温下$T_2^*$延长至60 μs以上，实现了直流磁力测量的宽带飞特斯拉灵敏度。

ABSTRACT

Quantum spin dephasing is caused by inhomogeneous coupling to the environment, with resulting limits to the measurement time and precision of spin-based sensors. The effects of spin dephasing can be especially pernicious for dense ensembles of electronic spins in the solid-state, such as for nitrogen-vacancy (NV) color centers in diamond. We report the use of two complementary techniques, spin bath control and double quantum coherence, to enhance the inhomogeneous spin dephasing time ($T_2^*$) for NV ensembles by more than an order of magnitude. In combination, these quantum control techniques (i) eliminate the effects of the dominant NV spin ensemble dephasing mechanisms, including crystal strain gradients and dipolar interactions with paramagnetic bath spins, and (ii) increase the effective NV gyromagnetic ratio by a factor of two. Applied independently, spin bath control and double quantum coherence elucidate the sources of spin dephasing over a wide range of NV and spin bath concentrations. These results demonstrate the longest reported $T_2^*$ in a solid-state electronic spin ensemble at room temperature, and outline a path towards NV-diamond magnetometers with broadband femtotesla sensitivity.

研究动机与目标

• 解决密集固态自旋系综中$T_2^*$过短的根本限制，该问题限制了探测时间和精度。
• 识别并缓解NV色心中主要的退相干机制，包括应变梯度和与顺磁性浴自旋的偶极耦合。
• 通过将$T_2^*$扩展至传统极限之外，实现高灵敏度、宽带直流磁场探测。
• 证明量子调控技术可同时提升NV系综的相干时间与有效旋磁比。
• 为实现室温下具有飞特斯拉灵敏度的实用型NV-金刚石直流磁力计铺平道路。

提出的方法

• 通过在浴自旋频率处施加共振射频场，实现自旋浴驱动，动态抑制由顺磁性浴自旋（如$^{14}$N、$^{13}$C）引起的退相干。
• 利用双量子（DQ）相干磁力计技术，将有效旋磁比提高一倍，增强信噪比并延长相干时间。
• 联合应用两种技术，同时抑制包括应变和磁场梯度在内的多个退相干通道。
• 使用Hahn自旋回波和SEDO R测量校准并量化来自应变、氮和碳缺陷的个体退相干贡献。
• 基于偶极耦合理论和应变诱导Zeeman位移模型退相干速率，预测不同氮浓度下的$T_2^*$行为。
• 优化射频功率和氮浓度（1–10 ppm）等实验参数，以在最小化技术挑战的同时最大化灵敏度。

实验结果

研究问题

• RQ1 在室温下，密集NV自旋系综中限制$T_2^*$的主要退相干机制是什么？
• RQ2 自旋浴驱动与双量子相干磁力计技术如何分别及联合地抑制这些退相干机制？
• RQ3 通过量子调控手段，$T_2^*$在NV系综中可被延长至何种程度？最优工作条件是什么？
• RQ4 在DQ相干条件下，有效旋磁比如何变化？这对磁场灵敏度有何影响？
• RQ5 在平衡技术约束的前提下，最大化磁场探测灵敏度的最优氮浓度范围是什么？

主要发现

• 自旋浴驱动与双量子相干磁力计技术的结合，使NV系综中的$T_2^*$延长至68 μs，为目前室温下报道的最长值。
• 自旋浴驱动有效抑制了由顺磁性浴自旋引起的退相干，将$T_2^{*}$-限制性贡献降低至原来的十分之一以内。
• 双量子相干磁力计技术使有效旋磁比提高一倍，增强了信号响应并延长了相干时间。
• 在最优氮浓度范围1–10 ppm内，该技术使测量时间相比无驱动的单量子磁力计减少36倍。
• 与传统单量子磁力计相比，该方法在灵敏度上实现4至36倍的提升，若考虑实验死时间，增益更为显著。
• 对三个样品（A、B、C）的退相干分析表明，应变和氮相关浴自旋是主要贡献因素，$^{13}$C和磁场梯度则起次要作用。