論文の概要: Single nuclear spin detection and control in a van der Waals material

• arxiv url: http://arxiv.org/abs/2409.01601v1
• Date: Tue, 3 Sep 2024 04:47:35 GMT
• ステータス: 処理完了
• システム内更新日: 2024-09-06 02:53:07.850354
• Title: Single nuclear spin detection and control in a van der Waals material
• Title（参考訳）: ファンデルワールス物質の単一核スピン検出と制御
• Authors: Xingyu Gao, Sumukh Vaidya, Kejun Li, Saakshi Dikshit, Shimin Zhang, Peng Ju, Kunhong Shen, Yuanbin Jin, Yuan Ping, Tongcang Li,
• Abstract要約: 近年,六方晶窒化ホウ素 (hBN) の層状ファンデルワールス (vdW) 材料に単一スピン欠陥が発見された。 我々は13ドルCイオン注入を用いてhBNに単一スピン欠陥を発生させ、3種類の異なる欠陥を同定した。 VdW材料における原子スケールNMRと個々の核スピンのコヒーレント制御を初めて実証した。
• 参考スコア（独自算出の注目度）: 7.00960815874496
• License: http://arxiv.org/licenses/nonexclusive-distrib/1.0/
• Abstract: Optically active spin defects in solids are leading candidates for quantum sensing and quantum networking. Recently, single spin defects were discovered in hexagonal boron nitride (hBN), a layered van der Waals (vdW) material. Due to its two-dimensional structure, hBN allows spin defects to be positioned closer to target samples than in three-dimensional crystals, making it ideal for atomic-scale quantum sensing, including nuclear magnetic resonance (NMR) of single molecules. However, the chemical structures of these defects remain unknown, and detecting a single nuclear spin with an hBN spin defect has been elusive. In this study, we created single spin defects in hBN using $^{13}$C ion implantation and identified three distinct defect types. We observed both $S=1$ and $S=1/2$ spin states within a single hBN spin defect, with only the $S=1/2$ states showing strong hyperfine interactions with nearby $^{13}$C nuclear spins. For the first time, we demonstrated atomic-scale NMR and coherent control of individual nuclear spins in a vdW material. By comparing experimental results with density-functional theory calculations, we propose chemical structures for these spin defects. Our work advances the understanding of single spin defects in hBN and provides a pathway to enhance quantum sensing using hBN spin defects with nuclear spins as quantum memories.
• Abstract（参考訳）: 固体の光学活性スピン欠陥は量子センシングと量子ネットワークの候補となっている。 近年,六方晶窒化ホウ素 (hBN) の層状ファンデルワールス (vdW) 材料に単一スピン欠陥が発見された。 二次元構造のため、hBNはスピン欠陥を3次元結晶よりもターゲット試料に近づけることを可能にし、単一の分子の核磁気共鳴(NMR)を含む原子スケールの量子センシングに最適である。 しかし、これらの欠陥の化学構造は不明であり、hBNスピン欠陥を持つ1つの核スピンが検出されている。 本研究では、$^{13}$Cイオン注入法を用いてhBNに単一スピン欠陥を発生させ、3種類の異なる欠陥を同定した。 我々は、1つのhBNスピン欠陥の中で、$S=1$と$S=1/2$スピン状態の両方を観察し、近くの$^{13}$C核スピンと強い超微細相互作用を示す$S=1/2$状態のみを示した。 VdW材料における原子スケールNMRと個々の核スピンのコヒーレント制御を初めて実証した。 実験結果を密度汎関数理論計算と比較することにより,これらのスピン欠陥の化学構造を提案する。 我々の研究は、hBNにおける単一スピン欠陥の理解を深め、核スピンを量子記憶としてhBNスピン欠陥を用いて量子センシングを強化する経路を提供する。

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