論文の概要: Charge stability and charge-state-based spin readout of shallow
nitrogen-vacancy centers in diamond
- arxiv url: http://arxiv.org/abs/2208.14154v2
- Date: Fri, 10 Nov 2023 15:54:40 GMT
- ステータス: 処理完了
- システム内更新日: 2023-11-13 18:40:15.250460
- Title: Charge stability and charge-state-based spin readout of shallow
nitrogen-vacancy centers in diamond
- Title（参考訳）: ダイヤモンドの浅い窒素空洞中心の電荷安定性と電荷状態に基づくスピン読み出し
- Authors: Rakshyakar Giri, Rasmus H. Jensen, Deepak Khurana, Juanita Bocquel,
Ilya P. Radko, Johannes Lang, Christian Osterkamp, Fedor Jelezko, Kirstine
Berg-Sorensen, Ulrik L. Andersen, and Alexander Huck
- Abstract要約: スピンチャージ変換により、測定時間を延長し、精度を高め、読み出し時のノイズを最小限に抑えることができる。
ナノスケールのセンシングアプリケーションは、表面から数ドル程度の距離で浅いNV中心を必要とする。
ナノスケールセンシングに適した4つの浅いNV中心でSCCプロトコルを実証し,スピン投射雑音限界の5～6倍の読み出し雑音を求める。
- 参考スコア（独自算出の注目度）: 32.937319301495144
- License: http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
- Abstract: Spin-based applications of the negatively charged nitrogen-vacancy (NV)
center in diamonds require efficient spin readout. One approach is the
spin-to-charge conversion (SCC), relying on mapping the spin states onto the
neutral (NV$^0$) and negative (NV$^-$) charge states followed by a subsequent
charge readout. With high charge-state stability, SCC enables extended
measurement times, increasing precision and minimizing noise in the readout
compared to the commonly used fluorescence detection. Nano-scale sensing
applications, however, require shallow NV centers within a few $\si{\nano
\meter}$ distance from the surface where surface related effects might degrade
the NV charge state. In this article, we investigate the charge state
initialization and stability of single NV centers implanted $\approx
\SI{5}{\nano \meter}$ below the surface of a flat diamond plate. We demonstrate
the SCC protocol on four shallow NV centers suitable for nano-scale sensing,
obtaining a reduced readout noise of 5--6 times the spin-projection noise
limit. We investigate the general applicability of SCC for shallow NV centers
and observe a correlation between NV charge-state stability and readout noise.
Coating the diamond with glycerol improves both charge initialization and
stability. Our results reveal the influence of the surface-related charge
environment on the NV charge properties and motivate further investigations to
functionalize the diamond surface with glycerol or other materials for
charge-state stabilization and efficient spin-state readout of shallow NV
centers suitable for nano-scale sensing.
- Abstract（参考訳）: ダイヤモンド中の負電荷窒素空孔(nv)中心のスピンベースの応用には効率的なスピン読み出しが必要である。
1つのアプローチはスピン・ツー・チャージ変換(SCC)であり、スピン状態が中性(NV$^0$)および負(NV$^-$)の電荷状態にマッピングされ、続いて電荷が読み出される。
高電荷状態の安定性により、sccは測定時間を延長し、精度を高め、一般的な蛍光検出に比べて読み出しのノイズを最小化することができる。
しかし、ナノスケールのセンシング応用では、表面に関連した効果がnv電荷状態を劣化させる可能性がある表面から数ドルのsi{\nano \meter}$ 以内の浅いnv中心が必要である。
本稿では,単層nv中心の電荷状態の初期化と安定性について,平板の表面に約$\approx \si{5}{\nano \meter}$を埋設した。
ナノスケールセンシングに適した4つの浅いNV中心でSCCプロトコルを実証し,スピン投射雑音限界の5～6倍の読み出し雑音を求める。
浅部NV中心に対するSCCの適用性について検討し,NV帯電状態安定性と読み出し雑音との相関について検討した。
グリセロールでダイヤモンドをコーティングすると、電荷初期化と安定性が向上する。
以上の結果から, 表面電荷環境がNV帯電特性に及ぼす影響を明らかにするとともに, ナノスケールセンシングに適した浅いNV中心の静電安定化とスピン状態の効率向上を目的として, ダイヤモンド表面をグリセロールなどの材料で機能化するためのさらなる研究を動機づけた。
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