論文の概要: High-Efficiency, High-Fidelity Charge Initialization of Shallow Nitrogen Vacancy Centers in Diamond
- arxiv url: http://arxiv.org/abs/2506.00707v1
- Date: Sat, 31 May 2025 20:53:05 GMT
- ステータス: 翻訳完了
- システム内更新日: 2025-06-04 21:47:33.494287
- Title: High-Efficiency, High-Fidelity Charge Initialization of Shallow Nitrogen Vacancy Centers in Diamond
- Title（参考訳）: ダイヤモンド中の低窒素空孔中心の高効率高密度帯電初期化
- Authors: Marjana Mahdia, Artur Lozovoi, Jared Rovny, Zhiyang Yuan, Carlos A. Meriles, Nathalie P. de Leon,
- Abstract要約: ダイヤモンド中の窒素空孔(NV)中心は長いスピンコヒーレンス時間を示す。
ダイヤモンド表面から5nmから15nmの浅いNV中心を効率よく初期化するためのプロトコルを示す。
このプロトコルは、現在状態準備エラーがスケーリングを禁止しているナノスケールセンシングアプリケーションを可能にする。
- 参考スコア（独自算出の注目度）: 0.14993626998062629
- License: http://arxiv.org/licenses/nonexclusive-distrib/1.0/
- Abstract: Nitrogen vacancy (NV) centers in diamond exhibit long spin coherence times, optical initialization, and optical spin readout under ambient conditions, making them excellent quantum sensors. However, the conventional scheme for charge state initialization based on off-resonant green excitation results in significant state preparation errors, typically around 30%. One method for improving charge state initialization fidelity is to use multicolor excitation, which has been demonstrated to achieve a near-unity preparation fidelity for bulk NV centers by using a few milliseconds of near-infrared (5 mW) and green (10 {\mu}W) excitation. The translation of such schemes to NV centers near the diamond surface with higher efficiency optical pumping would enable myriad tasks in nanoscale sensing. Here, we demonstrate a protocol for efficient charge initialization of shallow NV centers between 5 nm and 15 nm from the diamond surface. By carefully studying the charge dynamics of shallow NV centers, we identify a region of parameter space that allows for near-unity (95%) charge initialization within 300 {\mu}s of near-infrared (1 mW) and green (10 {\mu}W) excitation. The time to 90% charge initialization can be as fast as 10 {\mu}s for 4 mW of near-infrared and 39 {\mu}W of green illumination. This fast, efficient charge initialization protocol will enable nanoscale sensing applications where state preparation errors currently prohibit scaling, such as measuring higher-order multi-point correlators.
- Abstract（参考訳）: ダイヤモンド中の窒素空孔(NV)中心は、長いスピンコヒーレンス時間、光学的初期化、環境条件下での光スピン読み出しを示し、優れた量子センサーとなる。
しかしながら、非共鳴グリーン励起に基づく従来の電荷状態初期化方式は、典型的には30%程度のかなりの状態準備誤差をもたらす。
電荷状態初期化フィデリティを改善する方法の一つとして多色励起を用いる方法があり、これは近赤外線(5 mW)と緑(10 {\mu}W)の2、3ミリ秒の励起を用いてバルクNV中心に対してほぼ均一な合成フィデリティを実現することが示されている。
このようなスキームをダイヤモンド表面近くのNV中心に高効率の光ポンピングで変換することで、ナノスケールセンシングにおける無数のタスクが実現される。
本稿では,ダイヤモンド表面から5nmから15nmの浅いNV中心を効率よく初期化するためのプロトコルを実証する。
浅いNV中心の電荷ダイナミクスを慎重に研究することにより、近赤外線(1 mW)とグリーン(10 {\mu}W)励起の300 {\mu}s内における電荷初期化を可能にするパラメータ空間の領域を同定する。
90%の電荷初期化は、近赤外線の4mWで10.mu}s、グリーン照明の39.mu}Wの速さで行うことができる。
この高速で効率的な電荷初期化プロトコルは、高次マルチポイント相関器の測定など、状態準備エラーが現在スケーリングを禁止しているナノスケールセンシングアプリケーションを可能にする。
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