論文の概要: Ultrasensitive single-ion electrometry in a magnetic field gradient
- arxiv url: http://arxiv.org/abs/2406.08424v2
- Date: Sun, 23 Jun 2024 09:33:20 GMT
- ステータス: 処理完了
- システム内更新日: 2024-06-26 00:13:51.672847
- Title: Ultrasensitive single-ion electrometry in a magnetic field gradient
- Title（参考訳）: 磁場勾配における超高感度単一イオンエレクトロメトリー
- Authors: F. Bonus, C. Knapp, C. H. Valahu, M. Mironiuc, S. Weidt, W. K. Hensinger,
- Abstract要約: 静磁場勾配を用いて電場摂動とスピン状態の結合を増幅する。
印加された外部電場摂動によって生じる力による捕捉されたイオンの変位は、内部スピン状態のエネルギー準位分裂の瞬間的な変化にマッピングされる。
我々は、サブHzから$simmathrm500kHz$の周波数範囲にわたって、直流信号と交流信号の両方を測定するための前例のない電界感度を実証した。
- 参考スコア（独自算出の注目度）: 0.0
- License: http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
- Abstract: Hyperfine energy levels in trapped ions offer long-lived spin states. In addition, the motion of these charged particles couples strongly to external electric field perturbations. These characteristics make trapped ions attractive platforms for the quantum sensing of electric fields. However, the spin states do not exhibit a strong intrinsic coupling to electric fields. This limits the achievable sensitivities. Here, we amplify the coupling between electric field perturbations and the spin states by using a static magnetic field gradient. Displacements of the trapped ion resulting from the forces experienced by an applied external electric field perturbation are thereby mapped to an instantaneous change in the energy level splitting of the internal spin states. This gradient mediated coupling of the electric field to the spin enables the use of a range of well-established magnetometry protocols for electrometry. Using our quantum sensor, we demonstrate AC sensitivities of $\mathrm{S^{AC}_{min}=960(10)\times 10^{-6}~V m^{-1}Hz^{-\frac{1}{2}}}$ at a signal frequency of $\omega_{\epsilon}/2\pi=5.82~\mathrm{Hz}$, and DC sensitivities of $\mathrm{S^{DC}_{min}=1.97(3)\times 10^{-3} ~V m^{-1}Hz^{-\frac{1}{2}}}$ with a Hahn-echo type sensing sequence. We also employ a rotating frame relaxometry technique, with which our quantum sensor can be utilised as an electric field noise spectrum analyser. We measure electric field signals down to a noise floor of $\mathrm{S_{E}(\omega)=6.2(5)\times 10^{-12}~V^2 m^{-2}Hz^{-1}}$ at a frequency of $\mathrm{30.0(3)~kHz}$. We therefore demonstrate unprecedented electric field sensitivities for the measurement of both DC signals and AC signals across a frequency range of sub-Hz to $\sim\mathrm{500~kHz}$. Finally, we describe a set of hardware modifications that are capable of achieving a further improvement in sensitivity by up to six orders of magnitude.
- Abstract（参考訳）: 閉じ込められたイオン中の超微細エネルギーレベルは、長時間のスピン状態を与える。
さらに、荷電粒子の運動は外部の電場摂動と強く結合する。
これらの特性は、電場を量子的に検出するために、閉じ込められたイオンを魅力的なプラットフォームにする。
しかし、スピン状態は電場に強い内在結合を示さない。
これにより達成可能な感度が制限される。
ここでは、静磁場勾配を用いて、電場摂動とスピン状態の結合を増幅する。
これにより、印加された外部電場摂動によって生じる力による捕捉されたイオンの変位は、内部スピン状態のエネルギー準位分裂の瞬間的な変化にマッピングされる。
この勾配を媒介とした電場とスピンのカップリングにより、電磁気学プロトコルを電気測定に利用することができる。
我々の量子センサを用いて、$\mathrm{S^{AC}_{min}=960(10)\times 10^{-6}~V m^{-1}Hz^{-\frac{1}{2}}}$の信号周波数$\omega_{\epsilon}/2\pi=5.82~\mathrm{Hz}$のAC感度と$\mathrm{S^{DC}_{min}=1.97(3)\times 10^{-3} ~V m^{-1}Hz^{-\frac{1}{2}}}$のDC感度を示す。
我々はまた、我々の量子センサを電場ノイズスペクトル分析器として利用することができる回転フレーム緩和法を用いている。
電場信号を$\mathrm{S_{E}(\omega)=6.2(5)\times 10^{-12}~V^2 m^{-2}Hz^{-1}}$のノイズフロアまで、$\mathrm{30.0(3)~kHz}$で測定する。
そこで我々は、サブHzから$\sim\mathrm{500~kHz}$までの周波数範囲にわたる直流信号と交流信号の測定において、前例のない電場感度を示す。
最後に,最大6桁の感度向上を実現するハードウェア修正について述べる。
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