論文の概要: Engineering Dark Spin-Free Diamond Interfaces

• arxiv url: http://arxiv.org/abs/2504.08883v1
• Date: Fri, 11 Apr 2025 18:00:01 GMT
• ステータス: 翻訳完了
• システム内更新日: 2025-04-15 16:49:41.192190
• Title: Engineering Dark Spin-Free Diamond Interfaces
• Title（参考訳）: ダークスピンフリーダイヤモンド界面
• Authors: Xiaofei Yu, Evan J. Villafranca, Stella Wang, Jessica C. Jones, Mouzhe Xie, Jonah Nagura, Ignacio Chi-Durán, Nazar Delegan, Alex B. F. Martinson, Michael E. Flatté, Denis R. Candido, Giulia Galli, Peter C. Maurer,
• Abstract要約: ダイヤモンド中の窒素空孔(NV)中心は、ナノスケールの磁場を撮像するための量子センサーとして広く利用されている。 本研究では、これらのいわゆるダーク電子スピンの不要な信号を除去する表面改質法を開発する。 我々の発見は、ナノスケールの固体量子ビットや超伝導量子ビットなど、他の量子プラットフォームに直接転送可能である。
• 参考スコア（独自算出の注目度）: 0.20749689150840575
• License:
• Abstract: Nitrogen-vacancy (NV) centers in diamond are extensively utilized as quantum sensors for imaging fields at the nanoscale. The ultra-high sensitivity of NV magnetometers has enabled the detection and spectroscopy of individual electron spins, with potentially far-reaching applications in condensed matter physics, spintronics, and molecular biology. However, the surfaces of these diamond sensors naturally contain electron spins, which create a background signal that can be hard to differentiate from the signal of the target spins. In this study, we develop a surface modification approach that eliminates the unwanted signal of these so-called dark electron spins. Our surface passivation technique, based on coating diamond surfaces with a thin titanium oxide (TiO2) layer, reduces the dark spin density. The observed reduction in dark spin density aligns with our findings on the electronic structure of the diamond-TiO2 interface. The reduction, from a typical value of $2,000$~$\mu$m$^{-2}$ to a value below that set by the detection limit of our NV sensors ($200$~$\mu$m$^{-2}$), results in a two-fold increase in spin echo coherence time of near surface NV centers. Furthermore, we derive a comprehensive spin model that connects dark spin depolarization with NV coherence, providing additional insights into the mechanisms behind the observed spin dynamics. Our findings are directly transferable to other quantum platforms, including nanoscale solid state qubits and superconducting qubits.
• Abstract（参考訳）: ダイヤモンド中の窒素空孔(NV)中心は、ナノスケールの磁場を撮像するための量子センサーとして広く利用されている。 NV磁気センサの超高感度により、個々の電子スピンの検出と分光が可能となり、凝縮物質物理学、スピントロニクス、分子生物学に応用される可能性がある。 しかし、これらのダイヤモンドセンサーの表面は自然に電子スピンを含み、ターゲットのスピンの信号と区別が難しい背景信号を生成する。 本研究では、これらのいわゆるダーク電子スピンの不要な信号を除去する表面改質法を開発する。 薄い酸化チタン(TiO2)層でコーティングしたダイヤモンド表面をベースとした表面パッシベーション技術により,暗スピン密度を低減できる。 観察された暗スピン密度の減少は、ダイヤモンド-TiO2界面の電子構造に関する我々の知見と一致している。 2000$~$\mu$m$^{-2}$の典型的な値から、NVセンサーの検出限界によって設定された値(200$~$\mu$m$^{-2}$)への還元は、近面NV中心のスピンエコーコヒーレンス時間(英語版)の2倍の増大をもたらす。 さらに、ダークスピン脱分極とNVコヒーレンスを結合する包括的スピンモデルを導出し、観測されたスピンダイナミクスの背後にあるメカニズムについてさらなる洞察を与える。 我々の発見は、ナノスケールの固体量子ビットや超伝導量子ビットなど、他の量子プラットフォームに直接転送可能である。

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