論文の概要: Spin Relaxation Mechanisms and Nuclear Spin Entanglement of the V$_B^{-1}$ Center in hBN

• arxiv url: http://arxiv.org/abs/2507.11494v1
• Date: Tue, 15 Jul 2025 17:09:22 GMT
• ステータス: 翻訳完了
• システム内更新日: 2025-07-16 19:46:03.200211
• Title: Spin Relaxation Mechanisms and Nuclear Spin Entanglement of the V$_B^{-1}$ Center in hBN
• Title（参考訳）: hBNにおけるV$_B^{-1}$中心のスピン緩和機構と核スピン絡み合い
• Authors: Chanaprom Cholsuk, Tobias Vogl, Viktor Ivády,
• Abstract要約: 六方晶窒化ホウ素(hBN)の負の電荷を持つホウ素空孔は、近年、センシングのための有望なスピンクビットとして出現している。 本研究では, 低温でのT_B-$緩和機構を解明するために, クラスター膨張法に基づくパラメータフリースピンダイナミクスモデルを開発した。 この研究は、V_B-$中心におけるT_B-$緩和を記述するための信頼性とスケーラブルなアプローチを確立し、核スピンベースの量子技術の将来の発展を支援するための微視的な洞察を提供する。
• 参考スコア（独自算出の注目度）: 0.3413711585591077
• License: http://arxiv.org/licenses/nonexclusive-distrib/1.0/
• Abstract: The negatively charged boron vacancy $V_B^-$ defect in hexagonal boron nitride (hBN) has recently emerged as a promising spin qubit for sensing due to its high-temperature spin control and versatile integration into van der Waals structures. While extensive experiments have explored their coherence properties, much less is known about the spin relaxation time $T_1$ and its control-parameter dependence. In this work, we develop a parameter-free spin dynamics model based on the cluster-expansion technique to investigate $T_1$ relaxation mechanisms at low temperature. Our results reveal that the $V_B^-$ center constitutes a strongly coupled electron spin-nuclear spin core, which necessitates the inclusion of the coherent dynamics and derived memory effects of the three nearest-neighbor nitrogen nuclear spins. Using this framework, this work closely reproduces the experimentally observed $T_1$ time at $B = 90\,\mathrm{G}$ and further predicts the $T_1$ dependence on external magnetic field in the $0 \le B \le 2000\,\mathrm{G}$ interval, when the spin relaxation is predominantly driven by electron-nuclear and nuclear-nuclear flip-flop processes mediated by hyperfine and dipolar interactions. This study establishes a reliable and scalable approach for describing $T_1$ relaxation in $V_B^-$ centers and offers microscopic insights to support future developments in nuclear-spin-based quantum technologies.
• Abstract（参考訳）: 六方晶窒化ホウ素(hBN)の負に帯電したホウ素空孔$V_B^-$欠陥は、高温のスピン制御とファンデルワールス構造への多元性集積により、近年、センシングのための有望なスピンクビットとして出現している。 大規模な実験ではコヒーレンスの性質を探求しているが、スピン緩和時間$T_1$とその制御パラメータ依存性についてはあまり知られていない。 本研究では,クラスター膨張法に基づくパラメータフリースピンダイナミクスモデルを構築し,低温でのT_1$緩和機構について検討する。 以上の結果から,V_B^-$中心は強結合された電子スピン核核を構成することが明らかとなった。 このフレームワークを用いて、実験的に観測された$T_1$time at $B = 90\,\mathrm{G}$を密に再現し、超微細な相互作用と双極子相互作用を介する電子核と核核のフリップフロッププロセスによってスピン緩和が主に駆動される場合、$0 \le B \le 2000\,\mathrm{G}$間隔における外部磁場への依存性をさらに予測する。 この研究は、V_B^-$中心におけるT_1$緩和を記述するための信頼性とスケーラブルなアプローチを確立し、核スピンベースの量子技術の将来の発展を支援するための微視的な洞察を提供する。

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