[论文解读] Floquet prethermalization with lifetime exceeding 90s in a bulk hyperpolarized solid

William Beatrez, Otto Janes+10 more|arXiv (Cornell University)|Apr 5, 2021

Atomic and Subatomic Physics Research参考文献 59被引用 59

一句话总结

本研究在室温下实现了体相超极化13C金刚石中的Floquet预热化，测得横向弛豫时间T′₂ ≈ 90.9秒，较自然自由感应衰减时间T₂* ≈ 1.5毫秒延长超过60,000倍。通过脉冲自旋锁驱动与氮空位中心实现的光学超极化，研究者在573秒内持续进行自旋探测，维持了长寿命的预热化平台，从而实现了对四种不同区域热化动力学的高信噪比观测。

ABSTRACT

We report the observation of long-lived Floquet prethermal states in a bulk solid composed of dipolar-coupled $^{13}$C nuclei in diamond at room temperature. For precessing nuclear spins prepared in an initial transverse state, we demonstrate pulsed spin-lock Floquet control that prevents their decay over multiple-minute long periods. We observe Floquet prethermal lifetimes $T_2'\approx$90.9s, extended >60,000-fold over the nuclear free induction decay times. The spins themselves are continuously interrogated for $\sim$10min, corresponding to the application of $\approx$5.8M control pulses. The $^{13}$C nuclei are optically hyperpolarized by lattice Nitrogen Vacancy (NV) centers; the combination of hyperpolarization and continuous spin readout yields significant signal-to-noise in the measurements. This allows probing the Floquet thermalization dynamics with unprecedented clarity. We identify four characteristic regimes of the thermalization process, discerning short-time transient processes leading to the prethermal plateau, and long-time system heating towards infinite temperature. This work points to new opportunities possible via Floquet control in networks of dilute, randomly distributed, low-sensitivity nuclei. In particular, the combination of minutes-long prethermal lifetimes and continuous spin interrogation opens avenues for quantum sensors constructed from hyperpolarized Floquet prethermal nuclei.

研究动机与目标

• 在具有长相干时间的体相室温固体中实现并维持长寿命的预热化态。
• 克服自旋-自旋偶极耦合核自旋系统中固有的快速退相干限制。
• 实现在驱动多体系统中非平衡量子动力学的高保真度连续探测。
• 探索利用超极化、稀释、低γ核素在鲁棒量子调控与传感应用中的可行性。

提出的方法

• 采用重复频率约为10 kHz（τ ≈ 99.28 μs）的周期性π/2脉冲，实施脉冲自旋锁Floquet驱动，以稳定横向核自旋相干性。
• 通过氮空位（NV）中心实现光学超极化，使13C核自旋极化度较热平衡状态提升223倍。
• 实施具有1 ns时间分辨率的原位连续NMR读出，每脉冲周期采集一个数据点（tacq = 2–32 μs）。
• 对每个采集窗口进行傅里叶变换，提取本振频率（20 MHz）下的拉莫尔进动信号，作为衰减曲线重构的基础。
• 采用移动平均滤波（0.1 s窗口）提升信噪比，并抑制衰减数据中的高频噪声。
• 通过调节脉冲翻转角（θ）和脉冲间隔（τ），研究热化动力学对驱动参数和系统响应的依赖性。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否在具有长寿命相干性的稀释、低旋磁比13C核体相室温固体中稳定实现Floquet预热化？
• RQ2 在周期性驱动的超极化自旋系统中，热化过程的特征时间尺度与动力学区域为何？
• RQ3 信噪比如何支持对预热化平台与无限温度区域中瞬态动力学及加热速率的观测？
• RQ4 加热速率随驱动频率的标度关系如何？是否符合理论预测的指数抑制行为？

主要发现

• 测得横向弛豫时间T′₂ ≈ 90.9秒，较自然自由感应衰减时间T₂* ≈ 1.5毫秒延长超过60,000倍。
• 系统在稳定预热化平台状态维持超过573秒，对应约580万次控制脉冲及超过10^10次自旋进动周期。
• 识别出四种不同的热化区域：(1) 迅速过渡至预热化平台的短时瞬态过程，(2) 平台维持阶段，(3) 过渡至无约束热化，(4) 最终加热至无限温度。
• 在高驱动频率下，加热速率近似符合∝ exp(−t^{1/2}) 的标度关系，与理论预测的抑制能量吸收行为一致。
• 由于光学超极化与连续读出的结合，单次测量的信噪比超过10^9，实现了对动力学过程的高保真度追踪。
• 瞬态响应中观测到的谐波振荡揭示了趋近预热化平台过程中的相干动力学，证实了周期性驱动下有效守恒量的涌现。