[论文解读] Measurement of transverse hyperfine interaction by forbidden transitions

Mo Chen, Masashi Hirose+1 more|DSpace@MIT (Massachusetts Institute of Technology)|Mar 30, 2015

Atomic and Subatomic Physics Research参考文献 2被引用 6

一句话总结

本文提出一种方法，通过在核自旋拉比振荡期间利用名义上禁戒跃迁的二阶效应，精确测量金刚石中氮空位（NV）中心的横向超精细耦合。该技术实现了对横向超精细耦合的高精度测定，结果为−2.62 ± 0.05 MHz，且在能级反交叉附近可将核拉比速率提升近三个数量级。

ABSTRACT

Precise characterization of a system's Hamiltonian is crucial to its high-fidelity control that would enable many quantum technologies, ranging from quantum computation to communication and sensing. In particular, non-secular parts of the Hamiltonian are usually more difficult to characterize, even if they can give rise to subtle but non-negligible effects. Here we present a strategy for the precise estimation of the transverse hyperfine coupling between an electronic and a nuclear spin, exploiting effects due to forbidden transitions during the Rabi driving of the nuclear spin. We applied the method to precisely determine the transverse coupling between a Nitrogen-Vacancy center electronic spin and its Nitrogen nuclear spin. In addition, we show how this transverse hyperfine, that has been often neglected in experiments, is crucial to achieving large enhancements of the nuclear Rabi driving.

研究动机与目标

• 精确表征电子-核自旋体系中常被忽略但可能显著影响量子调控的非幺正横向超精细相互作用。
• 克服以往依赖系综技术或与单自旋读出不兼容的强横向磁场方法的局限性。
• 通过利用禁戒跃迁的二阶混合同步效应，实现快速、高保真度的核自旋操控。
• 开发一种可扩展的方法，适用于其他电子-核杂化体系，如硅中的施主或碳化硅中的缺陷。
• 提升哈密顿量表征的精度，以应用于量子传感、计算与通信。

提出的方法

• 该方法利用横向超精细耦合引起的电子与核自旋态之间的二阶混合同步，使原本禁戒的跃迁在拉比驱动下得以发生。
• 施加固定磁场509 G，将系统调谐至基态能级反交叉附近，以最大化横向耦合带来的拉比频率增强。
• 通过监测光学荧光，测量核拉比频率随施加射频驱动幅度的变化，有效拉比频率建模为Ωₘ = √(Ω² + δ²)，其中δ为失谐量。
• 将实验数据拟合至包含横向超精细耦合A⊥的理论拉比重建公式（5–7），从而在无需独立测量原始拉比频率的情况下提取A⊥。
• 该方法避免对高精度磁场对准或系综平均的依赖，实现高精度的单自旋测量。
• 在实验条件下，脉冲不完善性和核极化引起的系统误差对A⊥估计的影响极小。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否利用单自旋光学探测技术，实现比以往更高精度的NV中心横向超精细耦合测量？
• RQ2 在能级反交叉存在的情况下，横向超精细相互作用对核拉比频率的增强程度如何？
• RQ3 如何利用名义上禁戒跃迁的二阶效应来提取非幺正哈密顿量参数？
• RQ4 A⊥测量中的主要不确定性来源是什么？如何将其最小化？
• RQ5 该方法能否推广至其他电子-核自旋体系，以实现高精度哈密顿量表征？

主要发现

• 横向超精细耦合常数被高精度测定为A⊥ = −2.62 ± 0.05 MHz，优于以往单自旋测量的精度。
• 该方法的精度优于以往基于系综的电子自旋共振技术，尤其在强横向磁场不可行的单自旋区域表现更优。
• 理论建模预测，在能级反交叉附近，拉比频率增强可接近三个数量级，从而在中等驱动功率下实现MHz量级的核自旋控制。
• A⊥估计中主要的不确定性来源是光学读出的光子散粒噪声，通过延长平均时间或采用增强检测方法可进一步改善。
• 脉冲不完善性和失谐引起的系统误差对不确定性的贡献为线性，且在实验条件下可忽略不计。
• 该方法具有鲁棒性和通用性，可推广应用于其他电子-核杂化体系，如硅中的磷或锑施主，或碳化硅中的缺陷。