論文の概要: Dynamical freezing and enhanced magnetometry in an interacting spin ensemble

• arxiv url: http://arxiv.org/abs/2507.22982v1
• Date: Wed, 30 Jul 2025 18:00:01 GMT
• ステータス: 翻訳完了
• システム内更新日: 2025-08-01 17:19:08.423016
• Title: Dynamical freezing and enhanced magnetometry in an interacting spin ensemble
• Title（参考訳）: 相互作用するスピンアンサンブルにおける動的凍結と磁力測定
• Authors: Ya-Nan Lu, Dong Yuan, Yixuan Ma, Yan-Qing Liu, Si Jiang, Xiang-Qian Meng, Yi-Jie Xu, Xiu-Ying Chang, Chong Zu, Hong-Zheng Zhao, Dong-Ling Deng, Lu-Ming Duan, Pan-Yu Hou,
• Abstract要約: 駆動系における動的凍結の実験的観察について報告する。 ダイヤモンド中の窒素空隙スピンと相互作用する約104ドルのアンサンブルを用いた量子センシングへの応用を実証した。
• 参考スコア（独自算出の注目度）: 15.624960755244338
• License: http://arxiv.org/licenses/nonexclusive-distrib/1.0/
• Abstract: Understanding and controlling non-equilibrium dynamics in quantum many-body systems is a fundamental challenge in modern physics, with profound implications for advancing quantum technologies. Typically, periodically driven systems in the absence of conservation laws thermalize to a featureless "infinite-temperature" state, erasing all memory of their initial conditions. However, this paradigm can break down through mechanisms such as integrability, many-body localization, quantum many-body scars, and Hilbert space fragmentation. Here, we report the experimental observation of dynamical freezing, a distinct mechanism of thermalization breakdown in driven systems, and demonstrate its application in quantum sensing using an ensemble of approximately $10^4$ interacting nitrogen-vacancy spins in diamond. By precisely controlling the driving frequency and detuning, we observe emergent long-lived spin magnetization and coherent oscillatory micromotions, persisting over timescales exceeding the interaction-limited coherence time ($T_2$) by more than an order of magnitude. Leveraging these unconventional dynamics, we develop a dynamical-freezing-enhanced ac magnetometry that extends optimal sensing times far beyond $T_2$, outperforming conventional dynamical decoupling magnetometry with a 4.3 dB sensitivity enhancement. Our results not only provide clear experimental observation of dynamical freezing -- a peculiar mechanism defying thermalization through emergent conservation laws -- but also establish a robust control method generally applicable to diverse physical platforms, with broad implications in quantum metrology and beyond.
• Abstract（参考訳）: 量子多体系における非平衡力学の理解と制御は、量子技術の進歩に深い意味を持つ現代の物理学における根本的な課題である。 通常、保存法則のない周期的に駆動されるシステムは、特徴のない「無限温度」状態に熱化し、初期状態の全ての記憶を消去する。 しかし、このパラダイムは積分可能性、多体ローカライゼーション、量子多体傷、ヒルベルト空間の断片化などのメカニズムを分解することができる。 本稿では、駆動系における熱分解のメカニズムである動的凍結の実験的な観察を報告し、約10^4$の相互作用するダイヤモンド中の窒素空孔スピンのアンサンブルを用いた量子センシングへの応用を実証する。 駆動周波数を正確に制御し,スピン磁化とコヒーレント振動マイクロモーションを観測し,相互作用制限コヒーレンス時間(T_2$)を1桁以上超えた時間スケールで観測した。 従来の動的デカップリング磁力計より4.3dB感度の高感度化を達成し, 従来の動的デカップリング磁力計よりも高い速度でT_2$を超える最適センシング時間を延ばす動的凍結型交流磁力計を開発した。 我々の結果は、動的凍結(創発的保存法則によって熱化を否定する特異なメカニズム)の明確な実験的な観察を提供するだけでなく、様々な物理プラットフォームに適用可能な堅牢な制御方法を確立し、量子力学などにも幅広い影響を及ぼす。

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