論文の概要: Magnetic-field dependent VB- spin decoherence in hexagonal boron nitrides: A first-principles study

• arxiv url: http://arxiv.org/abs/2505.03306v1
• Date: Tue, 06 May 2025 08:39:48 GMT
• ステータス: 翻訳完了
• システム内更新日: 2025-05-07 18:50:11.268207
• Title: Magnetic-field dependent VB- spin decoherence in hexagonal boron nitrides: A first-principles study
• Title（参考訳）: 六方晶窒化ホウ素の磁場依存性VBスピン脱コヒーレンスに関する研究
• Authors: Jaewook Lee, Hyunsu Kim, Huijin Park, Hosung Seo,
• Abstract要約: 第一原理量子多体シミュレーションを用いて、h-BNにおけるVB-スピンのスピンデコヒーレンスを解析する。 我々は、遷移境界(TB)と呼ばれる特定の磁場でデコヒーレンス機構が変化することを発見した。 以上の結果から,h-10BN の TB は11B よりも大きい10B の核スピンに由来することが明らかとなり,11BN よりも広い範囲の磁場に対して強い核変調効果が生じることが示唆された。
• 参考スコア（独自算出の注目度）: 6.30298087488574
• License: http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
• Abstract: The negatively charged boron vacancy (VB-) in h-BN operates as an optically addressable spin qubit in two-dimensional materials. To further advance the spin into a versatile qubit platform, it is imperative to understand its spin decoherence precisely, which is currently one of the major limiting factors for the VB- spin. In this study, we employ a first-principles quantum many-body simulation to investigate the decoherence of the VB- spin in dense nuclear spin baths as a function of magnetic field from 100 G to 3 T, revealing several unique phenomena and their origin. We found that decoherence mechanism changes at a specific magnetic field, which we refer to as the transition boundary (TB). Below the TB, the decoherence occurs within submicrosecond and it is primarily governed by independent nuclear spin dynamics. Above the TB, pair-wise flip-flop transitions become the dominant decoherence source, leading to the decoherence time of tens of microseconds. Building upon this understanding, we developed a method to predict the TB depending on the isotopic composition of h-BN, leading to TBs at 5020 G for h-10B14N and 2050 G for h-11B14N, which is in excellent agreement with our numerical results. We show that the larger TB in h-10BN derives from the larger nuclear spin of 10B than that of 11B, giving rise to strong nuclear modulation effects over a wider range of magnetic field in 10BN than in 11BN. We also explain the microscopic origin of several unique features in the decoherence, such as magnetic-field insensitive fast modulation found below the TB. Our results provide essential insight on the role of the 100% dense nuclear spin environment with large nuclear spins in the VB- decoherence, opening a new avenue for advancing the spin qubit in h-BN as robust platform in quantum information science.
• Abstract（参考訳）: h-BNの負電荷のホウ素空孔(VB-)は2次元材料において光アドレス可能なスピン量子ビットとして動作する。 万能な量子ビットプラットフォームへのスピンのさらなる前進は、スピンのデコヒーレンスを正確に理解することが必須であり、これはVB-スピンの主要な制限因子の1つである。 本研究では,100Gから3Tの磁場の関数として,高密度核スピン浴におけるVB-スピンの脱コヒーレンスを調べるために,第1原理の量子多体シミュレーションを用いた。 その結果, 特定の磁場でデコヒーレンス機構が変化し, 遷移境界 (TB) と呼ばれることがわかった。 TBの下では、デコヒーレンスはサブミクロ秒以内に発生し、主に独立した核スピンダイナミクスによって支配される。 TBの上には、対方向のフリップフロップ遷移が支配的なデコヒーレンス源となり、数十マイクロ秒のデコヒーレンス時間に繋がる。 この理解に基づいて,h-BNの同位体組成に応じてTBを予測する手法を開発し,h-10B14Nは5020G,h-11B14Nは2050Gと計算結果とよく一致した。 以上の結果から,h-10BN の TB は11B よりも大きい10B の核スピンに由来することが明らかとなり,11BN よりも広い範囲の磁場に対して強い核変調効果が生じることが示唆された。 また,この脱コヒーレンスにおけるいくつかの特異な特徴の顕微鏡的起源,例えばTBの下にある磁場非感応的な高速変調について説明する。 VB-脱コヒーレンスにおける100%高密度核スピン環境の役割について重要な知見を提供し、量子情報科学における堅牢なプラットフォームとしてh-BNのスピン量子ビットを前進させる新たな道を開いた。

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