論文の概要: Prospects for Ultralow-Mass Nuclear Magnetic Resonance using Spin Defects in Hexagonal Boron Nitride
- arxiv url: http://arxiv.org/abs/2505.00383v1
- Date: Thu, 01 May 2025 08:19:55 GMT
- ステータス: 翻訳完了
- システム内更新日: 2025-05-02 19:15:55.267062
- Title: Prospects for Ultralow-Mass Nuclear Magnetic Resonance using Spin Defects in Hexagonal Boron Nitride
- Title（参考訳）: 六方晶窒化ホウ素のスピン欠陥を利用した超低質量核磁気共鳴の展望
- Authors: Declan M. Daly, Niko R. Reed, Stephen J. DeVience, Zechuan Yin, Johannes Cremer, Andrew J. Beling, John W. Blanchard, Ronald L. Walsworth,
- Abstract要約: 六方晶窒化ホウ素(hBN)の負電荷ホウ素空孔(V_B-$)を用いた代替ナノスケールNMRセンサを開発した。
ファンデルワールスの材料として、hBNの表面は、近面NVの性能を低下させる結合やその他の常磁性ノイズの源から解放される。
本稿では,ナノスケールおよびミクロンスケールでの統計的および一様偏極試料に対するV_B-$NMRの測定プロトコルを提案する。
- 参考スコア（独自算出の注目度）: 0.0
- License: http://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0/
- Abstract: Optically active quantum defects in solids, such as the nitrogen vacancy (NV) center in diamond, are a leading modality for micron-scale and nanoscale (ultralow-mass) nuclear magnetic resonance (NMR) spectroscopy and imaging under ambient conditions. However, the spin and optical properties of NV centers degrade when closer than about 10 nm from the diamond surface, limiting NMR sensitivity as well as spectral and spatial resolution. Here we outline efforts to develop an alternative nanoscale NMR sensor using the negatively charged boron vacancy ($V_B^-$) in hexagonal boron nitride (hBN). As a van der Waals material, hBN's surface is free from dangling bonds and other sources of paramagnetic noise that degrade the performance of near surface NVs, allowing stable $V_B^-$ defects to exist $\sim1\,$nm from the material surface. We discuss the properties of boron vacancies as they apply to narrowband (AC) magnetic field sensing and outline experimental designs optimized for this system. We propose measurement protocols for $V_B^-$ NMR for both statistically and uniformly polarized samples at the nano- and micron-scales, including relevant pulse sequences, sensitivity calculations, and sample confinement strategies; and compare the expected performance to NV-NMR. We estimate back-action effects between the $V_B^-$ electronic spins and the sample nuclear spins at the nanoscale; and account for unconventional diffusion dynamics in the flow-restricted nanoscale regime, calculating its effects on the expected $V_B^-$ NMR signal. Lastly, we identify potential sample targets and operational regimes best suited for both nanoscale and micron-scale $V_B^-$ NMR.
- Abstract（参考訳）: ダイヤモンド中の窒素空孔(NV)中心のような固体の光学活性量子欠陥は、環境条件下でのミクロンスケールおよびナノスケール(超低質量)核磁気共鳴(NMR)分光とイメージングにおいて主要なモダリティである。
しかし、NV中心のスピンと光学的性質は、ダイヤモンド表面から約10nm近く離れると劣化し、NMR感度やスペクトルや空間分解能が制限される。
本稿では、六方晶窒化ホウ素(hBN)の負電荷ホウ素空孔(V_B^-$)を用いた代替ナノスケールNMRセンサの開発について概説する。
ファン・デル・ワールスの材料として、hBNの表面は、表面近傍のNVの性能を低下させる結合やその他の常磁性ノイズの源から解放され、安定な$V_B^-$欠陥が材料表面から$\sim1\,$nm となる。
狭帯域(AC)磁界センサに適用したボロン空洞の特性について検討し,本システムに最適化された実験設計の概要を述べる。
我々は,ナノスケールおよびミクロンスケールの統計的および均一に偏極した試料に対して,V_B^-$ NMRの測定プロトコルを提案し,関連するパルスシーケンス,感度計算,サンプル閉じ込め戦略について検討し,期待性能をNV-NMRと比較した。
V_B^-$電子スピンと試料核スピンとのバックアクション効果をナノスケールで推定し,フローリミテッドナノスケールの非伝統的な拡散ダイナミクスを考慮し,期待される$V_B^-$NMR信号への影響を計算した。
最後に,ナノスケールおよびマイクロスケールの $V_B^-$ NMR に最も適した試料ターゲットと運転条件を同定した。
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