[论文解读] Constraints on a Spin-Dependent Exotic Interaction between Electrons with Single Electron Spin Quantum Sensors

Xing Rong, Man Jiao+7 more|arXiv (Cornell University)|Apr 19, 2018

Quantum and electron transport phenomena被引用 4

一句话总结

本研究利用金刚石中的单个氮-vacancy（NV）中心作为量子传感器，建立了电子之间自旋依赖的奇异相互作用的新实验室约束。通过探测掺杂有戊腈-d14的p-四苯基苯晶体在激光泵浦下的极化信号，作者在500 μm的作用范围内设定了95%置信度下|g_A^e g_A^e / 4πℏc| ≤ 1.8×10⁻¹⁹的上限，相比以往限制提高了一个数量级，并展示了NV中心作为探测标准模型之外新物理的强大平台的潜力。

ABSTRACT

A new laboratory bound on the axial-vector mediated interaction between electron spins at micrometer scale is established with single nitrogen-vacancy (NV) centers in diamond. A single crystal of $p$-terphenyl doped pentacene-$d_{14}$ under laser pumping provides the source of polarized electron spins. Based on the measurement of polarization signal via nitrogen-vacancy centers, we set a constraint for the exotic electron-electron coupling $g_A^eg_A^e$, within the force range from 10 to 900 $μ$m. The obtained upper bound of the coupling at 500 $μ$m is $|g_A^eg_A^e / 4π\hbar c |\leq 1.8 imes 10^{-19} $, which is one order of magnitude more stringent than a previous experiment. Our result shows that the NV center can be a promising platform for searching for new particles predicted by theories beyond the standard model.

研究动机与目标

• 探测标准模型之外的理论所预测的电子之间自旋依赖的新型作用力，例如轴矢量玻色子和赝标量粒子。
• 在微米尺度距离下建立轴矢量介导的偶极-偶极相互作用的更严格实验室界限。
• 证明利用金刚石中的单个NV中心作为高灵敏度量子传感器探测弱自旋依赖相互作用的可行性。
• 通过先进控制激光泵浦和动力学解耦序列，降低系统误差并提高信噪比。

提出的方法

• 利用金刚石中的单个氮-vacancy（NV）中心作为量子传感器，探测来自附近源中极化电子自旋所产生的磁场。
• 通过激光泵浦掺杂有戊腈-d14的p-四苯基苯晶体，产生稳定的极化电子自旋源。
• 通过光学检测的磁共振测量NV中心量子态的相位变化，推断自旋依赖相互作用的强度。
• 应用多脉冲动力学解耦序列以延长相干时间，提升对微弱信号的灵敏度。
• 对晶体厚度、半径、弛豫时间及光学漂移等系统误差进行系统性分析，并在最终界限中应用校正。
• 采用轴矢量介导偶极-偶极相互作用的理论模型，将测得的相位偏移与耦合强度g_A^e g_A^e / 4πℏc联系起来。

实验结果

研究问题

• RQ1 在微米尺度距离下，轴矢量介导的电子偶极-偶极相互作用的最严格实验室约束是什么？
• RQ2 金刚石中的单个NV中心能否在10–900 μm范围内探测到来自极化电子源的弱自旋依赖作用力？
• RQ3 实验装置和材料参数带来的系统误差如何影响测量的灵敏度与准确性？
• RQ4 激光泵浦和动力学解耦在增强极化电子自旋信号方面能发挥多大作用？
• RQ5 与其它实验方法相比，NV传感器平台在约束奇异自旋依赖相互作用方面表现如何？

主要发现

• 本研究在500 μm处以95%置信度建立了|g_A^e g_A^e / 4πℏc| ≤ 1.8×10⁻¹⁹的新上限，相比以往实验提高了10倍。
• 该约束在10–900 μm范围内最为严格，优于此前扭摆实验和俘获离子实验的限制。
• 量化了由实验漂移和材料参数引起的系统性校正，500 μm处总校正为-2.9(6.0)×10⁻²⁰。
• NV中心平台对弱自旋依赖作用力表现出高灵敏度，激光泵浦与动力学解耦显著提升了信噪比。
• 该方法具有可扩展性，可进一步用于探测其他自旋依赖相互作用，如磁单极-偶极或核子参与的偶极-偶极作用。
• 未来通过提高激光功率、采用多脉冲序列以及高分辨率成像技术（如NV-STED）可将灵敏度进一步提升数个数量级。