[论文解读] Long-distance excitation of nitrogen-vacancy centers in diamond via surface spin waves

Daisuke Kikuchi, Dwi Prananto+8 more|arXiv (Cornell University)|Aug 2, 2017

Diamond and Carbon-based Materials Research参考文献 31被引用 58

一句话总结

本研究通过在钇铁石榴石（YIG）圆盘中传播的磁静力表面自旋波（MSSWs），在室温条件下实现了对金刚石中氮空位（NV）中心的远距离、相干操控。利用微波天线激发MSSWs，研究人员成功实现了距离天线最远3.6 mm处NV中心的共振自旋操控，且由于自旋波介导的耦合，微波场增强超过100倍。

ABSTRACT

Coherent communication over mesoscale distances is a necessary condition for the application of solid-state spin qubits to scalable quantum information processing. Among other routes under study, one possibility entails the generation of magnetostatic surface spin waves (MSSW) dipolarly coupled to shallow paramagnetic defects in wide-bandgap semiconductors. As an initial step in this direction, here we make use of room-temperature MSSWs to mediate the interaction between the microwave field from an antenna and the spin of a nitrogen-vacancy (NV) center in diamond. We show that this transport spans distances exceeding 3 mm, a manifestation of the MSSW robustness and long diffusion length. Using the NV spin as a local sensor, we find that the MSSW amplitude grows linearly with the applied microwave power, suggesting this approach could be extended to amplify the signal from neighboring spin qubits by several orders of magnitude.

研究动机与目标

• 通过在亚铁磁性YIG衬底中的表面自旋波，演示对金刚石中NV中心的相干远距离操控。
• 研究利用MSSWs作为芯片集成自旋量子比特的量子总线的可行性。
• 量化通过MSSW传播在远距离NV中心处的微波场增强效应。
• 探索MSSWs在可扩展量子信息处理和纳米尺度自旋探测中的潜力。

提出的方法

• 使用微波驱动的金丝天线在0.4 mm厚的YIG圆盘中激发磁静力表面自旋波（MSSWs）。
• 利用532 nm激光的共聚焦显微镜对类型-IIa金刚石晶体中的NV中心自旋进行光学初始化和读出。
• 在距离天线不同距离（最远3.6 mm）处测量光学检测磁共振（ODMR）谱，以检测MSSW引起的自旋跃迁。
• 系统性地改变微波功率和外加磁场，以探测线性响应和共振条件。
• 将观测到的拉比频率与无YIG时理论估算的微波场进行比较，以量化场增强效应。
• 利用基特尔公式和实验拟合分析MSSW色散关系与NV自旋共振的匹配情况。

实验结果

研究问题

• RQ1 在室温条件下，YIG衬底中的MSSWs能否在中等尺度距离（>3 mm）内相干地介导NV中心的微波操控？
• RQ2 与直接天线耦合相比，MSSW传播使NV位置处的微波场增强程度如何？
• RQ3 在低场条件下，该系统是否表现出对微波功率的线性响应，从而支持其在灵敏自旋探测中的应用？
• RQ4 MSSW介导的耦合能否用于纠缠或相干操控远距离的自旋量子比特？
• RQ5 磁场调谐在实现NV自旋跃迁与MSSW模式之间的共振中起什么作用？

主要发现

• 位于微波天线3.6 mm以内的NV中心通过MSSWs实现了相干操控，证明了远距离自旋操控的可行性。
• 与天线直接辐射场相比，NV位置处的微波场增强超过100倍，增强因子高达两个数量级。
• ODMR谱深谷的振幅随微波功率线性增加至约10 mW，表明系统处于适合信号放大的线性响应区。
• 在90 mW功率下观测到拉比频率约为0.17 Gauss，对应于无YIG时预期场强的100倍增强。
• 当MSSW频率与NV自旋跃迁频率匹配时，系统表现出共振耦合，且在180 Oe和300 Oe处观测到强烈的荧光深谷。
• 未观测到MSSW注入的下限阈值，线性响应特性支持其在铁磁体增强型纳米尺度磁力计中的潜在应用。