論文の概要: Intermediate Excited State Relaxation Dynamics of Boron-Vacancy Spin Defects in Hexagonal Boron Nitride

• arxiv url: http://arxiv.org/abs/2503.22815v1
• Date: Fri, 28 Mar 2025 18:23:07 GMT
• ステータス: 翻訳完了
• システム内更新日: 2025-04-01 14:33:35.649640
• Title: Intermediate Excited State Relaxation Dynamics of Boron-Vacancy Spin Defects in Hexagonal Boron Nitride
• Title（参考訳）: 六方晶窒化ホウ素中のホウ素-原子価スピン欠陥の中間励起状態緩和ダイナミクス
• Authors: Paul Konrad, Mehran Kianinia, Lesley Spencer, Andreas Sperlich, Lukas Hein, Selin Steinicke, Igor Aharonovich, Vladimir Dyakonov,
• Abstract要約: 広い温度範囲におけるパルスレーザー励起下での光サイクルにおける励起状態と中間状態のダイナミクスについて検討した。 実験では、準安定状態から室温で基底状態に戻ると24 nsの緩和時間を示す。 我々は、中間状態の緩和を考慮したパルス光検出磁気共鳴シーケンスを最適化した。
• 参考スコア（独自算出の注目度）: 0.0
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• Abstract: The experimental identification of optically addressable spin defects in hexagonal boron nitride has opened new possibilities for quantum sensor technologies in two-dimensional materials and structures. Despite numerous fundamental and theoretical studies on the electronic structure of defects, the dynamics of the excited states are yet to be comprehensively investigated. The non-radiative relaxation pathways from the triplet excited states to the triplet ground states, particularly the one via a metastable intermediate state, remain largely presumed. A detailed identification, let alone a direct measurement of the rate constants, is still lacking. In this work, we investigate the relaxation dynamics of the excited and intermediate states in the optical cycle under pulsed laser excitation in a broad temperature range. The focus is on the shelving intermediate state and resulting ground state spin polarization of an ensemble of optically pumped negatively charged boron vacancies. Our experiments show a relaxation time of 24 ns from the metastable state back to the ground state at room temperature. For low temperatures we find this time to approximately double - in accordance with a doubling of photoluminescence lifetime and intensity. Simulations show the evolution of the spin-populations in the five-level system and the polarization of the ground state depending on excitation rates. We thus optimize pulsed optically detected magnetic resonance sequences to account for the relaxation of the intermediate state. This yields significantly increased efficiency of the spin manipulation and hence, the sensitivity of the quantum sensor based on boron vacancies can be optimized considerably.
• Abstract（参考訳）: 六方晶窒化ホウ素の光学的対処可能なスピン欠陥の実験的同定は、2次元材料や構造における量子センサー技術への新たな可能性を開いた。 欠陥の電子構造に関する多くの基礎的、理論的研究にもかかわらず、励起状態のダイナミクスはまだ包括的に研究されていない。 三重項励起状態から三重項基底状態、特に準安定中間状態への非放射緩和経路は、概ね推定される。 レート定数の直接測定は言うまでもなく、詳細な同定は依然として不十分である。 本研究では,広い温度域におけるパルスレーザー励起下での光サイクルにおける励起状態と中間状態の緩和ダイナミクスについて検討する。 焦点はシェルビング中間状態と、光学的に励起された負電荷のホウ素空孔のアンサンブルの基底状態スピン分極である。 実験では, 室温で準安定状態から基底状態への24nsの緩和時間を示した。 低温の場合、この時間は、発光寿命と強度の倍増に応じて約2倍になる。 シミュレーションでは、五段階系のスピン集団の進化と励起速度による基底状態の分極が示される。 これにより、中間状態の緩和を考慮したパルス光検出磁気共鳴シーケンスを最適化する。 これによりスピン操作の効率が大幅に向上し、ボロン空孔に基づく量子センサの感度が大幅に最適化される。

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