[论文解读] Decoherence-protected transitions of nitrogen vacancy centers in 99% 13C-enriched diamond

Anna J. Parker, Haijing Wang+3 more|arXiv (Cornell University)|Jun 17, 2015

Diamond and Carbon-based Materials Research被引用 6

一句话总结

本研究在99% ¹³C富集的金刚石中展示了氮空位（NV⁻）中心的退相干保护跃迁（DPTs），利用超精细相互作用抑制磁噪声。在550–900 G磁场下，这些跃迁的线宽相比标准电子跃迁缩小了约130倍，实现了室温下鲁棒的量子相干性。

ABSTRACT

Nitrogen vacancy (NV-) color centers in diamond are a prime candidate for use in quantum information devices, owing to their spin-1 ground state, straightforward optical initialization and readout, and long intrinsic coherence times in a room-temperature solid. While the 13C nuclear spin is often a dominant source of magnetic noise, we observe transitions between electron-nuclear hyperfine states of NV- centers in 99% 13C diamond that are robust to decoherence. At magnetic field strengths ranging from 550 - 900 G, these transitions are observable by optically detected magnetic resonance (ODMR), and exhibit linewidths narrowed by factors as high as ~130 at room temperature over typical electron-type transitions observed from this spin system. We anticipate the use of these decoherence-protected transitions, in combination with dynamical decoupling methods, for storage of quantum information.

研究动机与目标

• 识别并表征由于超精细相互作用而天然受保护、免受退相干影响的NV⁻中心跃迁。
• 研究¹³C核自旋作为金刚石中主要磁噪声源的作用，以及其通过本征自旋能级结构实现的抑制机制。
• 实验上证明在99% ¹³C富集的金刚石中，DPTs在室温下表现出显著增强的相干性。
• 为结合动态解耦技术实现长寿命量子信息存储，奠定DPTs应用的基础。

提出的方法

• 采用连续波激光和微波激发，通过光学探测磁共振（ODMR）探测NV⁻中心的自旋跃迁。
• 利用532 nm激光（功率4 kW/cm²）和单光子计数的共聚焦显微镜装置，实现自旋依赖荧光的探测。
• 微波频率通过波形发生器产生，经微波开关切换，并经放大后通过宽带微波线圈输送。
• 使用钕铁硼磁体安装在转台上，施加最高达1175 G的磁场，以控制磁场方向相对于NV轴的取向。
• 通过在金刚石另一侧面上植入的NV⁻自旋集合进行磁场对准校准，误差估计为±2 G。
• 通过每频率平均2000次重复采集光谱，并将荧光信号归一化至光学重初始化态。

实验结果

研究问题

• RQ1 在存在¹³C核自旋的情况下，99% ¹³C富集的金刚石中的NV⁻中心跃迁是否仍能实现退相干保护？
• RQ2 何种磁场强度可实现具有显著线宽展宽的退相干保护跃迁（DPTs）？
• RQ3 DPTs的线宽与同一系统中标准电子自旋跃迁在室温下的线宽相比如何？
• RQ4 DPTs在磁噪声和磁场涨落存在的情况下，其相干性维持程度如何？
• RQ5 当与动态解耦结合时，DPTs是否可作为鲁棒量子信息存储的平台？

主要发现

• 在99% ¹³C富集的金刚石中，NV⁻中心在550–900 G磁场范围内观察到退相干保护跃迁（DPTs）。
• 这些DPTs的线宽相比室温下标准电子型跃迁缩小了高达约130倍。
• 由于其有效旋磁比微弱，DPTs对磁场涨落具有鲁棒性，对局部磁噪声的敏感性降低。
• 观测到的线宽与在能级反交叉附近零一级塞曼（ZEFOZ）跃迁的理论预期一致。
• 磁场对准误差估计为±2 G，附加的来自植入NV⁻自旋集合的不确定性为0.05 G，两者相对于DPT分辨率均可忽略。
• 结果表明，¹³C富集金刚石中的DPTs为室温下实现长寿命量子相干性提供了切实可行的途径。