論文の概要: Steady-state microwave mode cooling with a diamond NV ensemble
- arxiv url: http://arxiv.org/abs/2203.03462v2
- Date: Mon, 24 Oct 2022 18:20:37 GMT
- ステータス: 処理完了
- システム内更新日: 2023-02-22 22:03:39.281211
- Title: Steady-state microwave mode cooling with a diamond NV ensemble
- Title（参考訳）: ダイヤモンドNVアンサンブルを用いた定常マイクロ波モード冷却
- Authors: Donald P. Fahey and Kurt Jacobs and Matthew J Turner and Hyeongrak
Choi and Jonathan E. Hoffman and Dirk Englund and Matthew E. Trusheim
- Abstract要約: マイクロ波帯の周波数$omega$の電磁モードは室温でかなりの熱光子占有率を持つ。
この分散は、計測ノイズフロアを、無線通信から位置決め、ナビゲーション、タイミング、磁気共鳴イメージングに至るまでの用途に設定する。
室温ダイヤモンド中の光スピン偏光窒素空孔中心のアンサンブルに結合することで,3ドル GHz のキャビティモードを連続的に冷却することで,この障壁を克服する。
- 参考スコア（独自算出の注目度）: 1.1545092788508224
- License: http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/
- Abstract: A fundamental result of quantum mechanics is that the fluctuations of a
bosonic field are given by its temperature $T$. An electromagnetic mode with
frequency $\omega$ in the microwave band has a significant thermal photon
occupation at room temperature according to the Bose-Einstein distribution
$\bar{n} = k_BT / \hbar\omega$. The room temperature thermal state of a 3 GHz
mode, for example, is characterized by a mean photon number $\bar{n} \sim 2000$
and variance $\Delta n^2 \approx \bar{n}^2$. This thermal variance sets the
measurement noise floor in applications ranging from wireless communications to
positioning, navigation, and timing to magnetic resonance imaging. We overcome
this barrier in continuously cooling a ${\sim} 3$ GHz cavity mode by coupling
it to an ensemble of optically spin-polarized nitrogen-vacancy (NV) centers in
a room-temperature diamond. The NV spins are pumped into a low entropy state
via a green laser and act as a heat sink to the microwave mode through their
collective interaction with microwave photons. Using a simple detection circuit
we report a peak noise reduction of $-2.3 \pm 0.1 \, \textrm{dB}$ and minimum
cavity mode temperature of $150 \pm 5 \textrm{K}$. We present also a linearized
model to identify the important features of the cooling, and demonstrate its
validity through magnetically tuned, spectrally resolved measurements. The
realization of efficient mode cooling at ambient temperature opens the door to
applications in precision measurement and communication, with the potential to
scale towards fundamental quantum limits.
- Abstract（参考訳）: 量子力学の基本的な結果は、ボソニック場のゆらぎが温度$t$によって与えられることである。
マイクロ波帯域に周波数$\omega$の電磁モードは、ボース=アインシュタイン分布$\bar{n} = k_bt / \hbar\omega$ に従って室温で大きな熱光子占有を持つ。
例えば、3GHzモードの室温熱状態は、平均光子数$\bar{n} \sim 2000$と分散$\Delta n^2 \approx \bar{n}^2$によって特徴づけられる。
この熱分散は、無線通信から位置決め、ナビゲーション、タイミング、磁気共鳴イメージングまで幅広い応用において測定ノイズの床を設定する。
室温ダイヤモンド中の光スピン偏光窒素空孔(NV)中心のアンサンブルに結合することで、${\sim} 3$ GHz空洞モードを連続的に冷却することで、この障壁を克服する。
NVスピンはグリーンレーザーを介して低エントロピー状態に励起され、マイクロ波光子との相互作用を通じてマイクロ波モードへのヒートシンクとして機能する。
単純な検出回路を用いてピークノイズ低減率を2.3 \pm 0.1 \, \textrm{db}$,最小キャビティモード温度を150 \pm 5 \textrm{k}$とする。
また, 冷却の重要な特徴を同定する線形化モデルを提案し, 磁気調整, スペクトル分解測定による妥当性を示す。
環境温度での効率的なモード冷却の実現は、精密測定と通信における応用への扉を開き、基本的な量子限界にスケールする可能性を開く。
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