[论文解读] Probing dynamics of a two-dimensional dipolar spin ensemble using single qubit sensor

Kristine Rezai, Soonwon Choi+2 more|arXiv (Cornell University)|Jul 21, 2022

Diamond and Carbon-based Materials Research被引用 7

一句话总结

本研究利用金刚石中的单个氮-vacancy (NV) 中心作为纳米尺度磁传感器，探测金刚石表面二维偶极自旋系综中的自旋动力学。尽管存在强烈的偶极相互作用，由于邻近核超精细场的涨落引起的动态无序，单个自旋弛豫异常缓慢，该现象通过动态共振计数得到定量解释，并通过调节有效无序强度的共振自旋锁定驱动实验验证。

ABSTRACT

Understanding the thermalization dynamics of quantum many-body systems at the microscopic level is among the central challenges of modern statistical physics. Here we experimentally investigate individual spin dynamics in a two-dimensional ensemble of electron spins on the surface of a diamond crystal. We use a near-surface NV center as a nanoscale magnetic sensor to probe correlation dynamics of individual spins in a dipolar interacting surface spin ensemble. We observe that the relaxation rate for each spin is significantly slower than the naive expectation based on independently estimated dipolar interaction strengths with nearest neighbors and is strongly correlated with the timescale of the local magnetic field fluctuation. We show that this anomalously slow relaxation rate is due to the presence of strong dynamical disorder and present a quantitative explanation based on dynamic resonance counting. Finally, we use resonant spin-lock driving to control the effective strength of the local magnetic fields and reveal the role of the dynamical disorder in different regimes. Our work paves the way towards microscopic study and control of quantum thermalization in strongly interacting disordered spin ensembles.

研究动机与目标

• 理解具有长程偶极相互作用和动态无序的量子多体系统的微观弛豫动力学。
• 解决由偶极耦合预期的快速弛豫与表面自旋系综中观测到的异常缓慢自旋弛豫之间的矛盾。
• 建立基于动态共振计数的定量模型，解释弛豫缓慢现象。
• 通过调节共振自旋锁定驱动产生的有效局域磁场，实验控制并探测动态无序的作用。
• 实现对强相互作用、无序自旋系统中量子热化过程的微观研究与调控。

提出的方法

• 金刚石中近表面的氮-vacancy (NV) 中心作为单量子比特纳米尺度磁传感器，用于探测表面电子自旋产生的局部磁场。
• 通过拉比干涉测量和自旋-echo衰减测量自旋动力学，利用双电子-电子共振 (DEER) 序列表征NV中心与表面自旋之间的偶极耦合。
• 施加共振射频 (RF) 场以诱导自旋锁定，从而改变有效局域磁场并调节动态无序的强度。
• 基于动态共振计数发展理论模型，解释观测到的弛豫速率，考虑局域磁场环境的时间依赖涨落。
• 通过核自旋 bath 噪声的功率谱密度计算有效局域无序宽度，显示在强驱动下满足 $ W_{\text{eff}} \propto W^2 / \Omega $ 的标度关系。
• 通过数值模拟和解析计算过渡概率，推导出弛豫速率为 $ R_{ab} = \pi^2 \gamma_e^2 \rho(\Omega) $，其中 $ \rho(\Omega) $ 为驱动频率 $ \Omega $ 处的功率谱密度。

实验结果

研究问题

• RQ1 为何二维偶极自旋系综中的自旋弛豫速率显著慢于基于最近邻偶极耦合估算的预测值？
• RQ2 来自涨落核超精细场的动态无序如何影响单个电子自旋的弛豫动力学？
• RQ3 能否通过实验手段调控动态无序的有效强度，其变化如何影响弛豫速率？
• RQ4 当无序强度和关联时间变化时，观测到的弛豫行为是否可统一归一化为一个普适标度函数？
• RQ5 在长程偶极相互作用存在的情况下，动态共振计数在多大程度上能定量解释观测到的异常自旋弛豫？

主要发现

• 观测到的自旋弛豫速率远慢于基于最近邻偶极耦合估算的预期值，表明朴素弛豫模型的失效。
• 异常缓慢的弛豫归因于邻近核自旋的时变超精细场引起的强动态无序。
• 基于动态共振计数的定量模型成功解释实验数据，并在不同无序强度和关联时间下实现普适标度函数的统一归一化。
• 共振自旋锁定驱动可调节有效局域磁场，且弛豫速率与理论模型预测一致。
• 弛豫速率符合解析预测 $ R_{ab} = \pi^2 \gamma_e^2 \rho(\Omega) $，证实核自旋 bath 噪声的功率谱密度在决定弛豫速率中的关键作用。
• 在强驱动下，有效局域无序宽度满足 $ W_{\text{eff}} = W^2 / (\sqrt{2} \Omega) $，验证了理论框架的正确性。