論文の概要: Temperature dependent spin-phonon coupling of boron-vacancy centers in hexagonal boron nitride
- arxiv url: http://arxiv.org/abs/2404.15493v1
- Date: Tue, 23 Apr 2024 20:09:25 GMT
- ステータス: 処理完了
- システム内更新日: 2024-04-25 15:13:10.067799
- Title: Temperature dependent spin-phonon coupling of boron-vacancy centers in hexagonal boron nitride
- Title（参考訳）: 六方晶窒化ホウ素におけるホウ素空孔中心の温度依存性スピンフォノンカップリング
- Authors: Zhongyuan Liu, Ruotian Gong, Benchen Huang, Yu Jin, Xinyi Du, Guanghui He, Eli Janzen, Li Yang, Erik Henriksen, James Edgar, Giulia Galli, Chong Zu,
- Abstract要約: 六方晶窒化ホウ素(hBN)における負電荷のホウ素空孔中心(mathrmV_mathrmB-$)は、最近、高い有望な量子センサーとして出現した。
本研究では, ゼロフィールド分割, 超微細相互作用, スピン緩和時間について, 10～350$Kの$mathrmV_mathrmB-$について検討した。
この結果は,$mathrmV_mathrmB-$センターにおける重要な知見であり,ナノスケール温度計やフォノンセンサとしての利用が期待できる。
- 参考スコア（独自算出の注目度）: 8.773245049879964
- License: http://arxiv.org/licenses/nonexclusive-distrib/1.0/
- Abstract: The negatively charged boron-vacancy center ($\mathrm{V}_{\mathrm{B}}^-$) in hexagonal boron nitride (hBN) has recently emerged as a highly promising quantum sensor. Compared to the nitrogen-vacancy (NV) center in diamond, the change with temperature of the spin transition energy of $\mathrm{V}_{\mathrm{B}}^-$ is more than an order of magnitude larger, making it a potential nanoscale thermometer with superior sensitivity. However, the underlying mechanism of the observed large temperature dependence remains an open question. In this work, using isotopically purified $\mathrm{h}{}^{10}\mathrm{B}{}^{15}\mathrm{N}$, we systematically characterize the zero-field splitting, hyperfine interaction, and spin relaxation time of $\mathrm{V}_{\mathrm{B}}^-$ from 10 to 350$~$K. We carry out first-principle calculations of the $\mathrm{V}_{\mathrm{B}}^-$ spin-phonon interaction and show that a second-order effect from finite-temperature phonon excitations is responsible for the observed changes in experiments. By fitting our experimental results to a physically motivated model, we extract the dominant phonon mode which agrees well with our simulations. Finally, we investigate the dynamic nuclear spin polarization process at cryogenic temperatures. Our results provide key insights in $\mathrm{V}_{\mathrm{B}}^-$ centers and their utilization as nanoscale thermometers and phonon sensors.
- Abstract（参考訳）: 六方晶窒化ホウ素 (hBN) における負電荷のホウ素空孔中心 (\mathrm{V}_{\mathrm{B}}^-$) は、近年、高い有望な量子センサとして出現している。
ダイヤモンド中の窒素空孔(NV)中心と比較して、$\mathrm{V}_{\mathrm{B}}^-$のスピン遷移エネルギーの温度変化は1等級以上であり、優れた感度を持つナノスケール温度計となる可能性がある。
しかし、観測された大きな温度依存のメカニズムは未解決のままである。
本研究では, 等方的に精製された$\mathrm{h}{}^{10}\mathrm{B}{}^{15}\mathrm{N}$を用いて, ゼロフィールド分割, 超微細相互作用, スピン緩和時間$\mathrm{V}_{\mathrm{B}}^-$を10から350$~$Kまで体系的に特徴づける。
我々は、$\mathrm{V}_{\mathrm{B}}^-$ spin-phonon 相互作用の第一原理計算を行い、有限温度フォノン励起による二階効果が実験において観測された変化の原因となることを示す。
実験結果を物理的に動機づけたモデルに合わせることで,シミュレーションによく適合する支配的なフォノンモードを抽出する。
最後に,低温における動的核スピン偏極過程について検討した。
この結果から, $\mathrm{V}_{\mathrm{B}}^-$センターにおける重要な知見が得られ,ナノスケール温度計やフォノンセンサとしての利用が期待できる。
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