論文の概要: Quantum sensing of electron beams using solid-state spins

• arxiv url: http://arxiv.org/abs/2508.13112v1
• Date: Mon, 18 Aug 2025 17:19:12 GMT
• ステータス: 翻訳完了
• システム内更新日: 2025-08-19 14:49:11.508904
• Title: Quantum sensing of electron beams using solid-state spins
• Title（参考訳）: 固体スピンを用いた電子ビームの量子センシング
• Authors: Jakob M. Grzesik, Dominic Catanzaro, Charles Roques-Carmes, Eric I. Rosenthal, Guido L. van de Stolpe, Aviv Karnieli, Giovanni Scuri, Souvik Biswas, Kenneth J. Leedle, Dylan S. Black, Robert L. Byer, Ido Kaminer, R. Joel England, Shanhui Fan, Olav Solgaard, Jelena Vučković,
• Abstract要約: 電子ビームの量子センサとしてダイヤモンド中の負電荷窒素空孔中心(NV-)を用いる。 我々は、磁気自由電子-量子相互作用のリンドブラッドマスター方程式を記述し、スピン緩和法を相互作用の感度プローブとして同定する。
• 参考スコア（独自算出の注目度）: 0.27736753576640366
• License: http://arxiv.org/licenses/nonexclusive-distrib/1.0/
• Abstract: Scattering experiments with energetic particles, such as free electrons, have been historically used to reveal the quantum structure of matter. However, realizing coherent interactions between free-electron beams and solid-state quantum systems has remained out of reach, owing to their intrinsically weak coupling. Realizing such coherent control would open up opportunities for hybrid quantum platforms combining free electrons and solid-state qubits for coincident quantum information processing and nanoscale sensing. Here, we present a framework that employs negatively charged nitrogen-vacancy centers (NV-) in diamond as quantum sensors of a bunched electron beam. We develop a Lindblad master equation description of the magnetic free-electron--qubit interactions and identify spin relaxometry as a sensitive probe of the interaction. Experimentally, we integrate a confocal fluorescence microscopy setup into a microwave-bunched electron beam line. We monitor charge-state dynamics and assess their impact on key sensing performance metrics (such as spin readout contrast), defining safe operating parameters for quantum sensing experiments. By performing $T_1$ relaxometry under controlled electron beam exposure, we establish an upper bound on the free-electron--spin coupling strength. Our results establish NV- centers as quantitative probes of free electrons, providing a metrological benchmark for free-electron--qubit coupling under realistic conditions, and chart a route toward solid-state quantum control with electron beams.
• Abstract（参考訳）: 自由電子のようなエネルギー粒子による散乱実験は、歴史的に物質の量子構造を明らかにするために用いられてきた。 しかしながら、自由電子ビームと固体量子系の間のコヒーレント相互作用の実現は、本質的に弱い結合のため、到達できないままである。 このようなコヒーレント制御を実現することで、量子情報処理とナノスケールセンシングのための自由電子と固体量子ビットを組み合わせたハイブリッド量子プラットフォームが生まれる。 本稿では,電子ビームの量子センサとしてダイヤモンド中の負電荷窒素空孔中心(NV-)を用いるフレームワークを提案する。 我々は、磁気自由電子-量子相互作用のリンドブラッドマスター方程式を記述し、スピン緩和法を相互作用の感度プローブとして同定する。 実験では、共焦点蛍光顕微鏡装置をマイクロ波束電ビーム線に統合した。 我々は、電荷状態のダイナミクスを監視し、量子センシング実験のための安全な操作パラメータを定義し、キーセンシング性能指標(スピンリードアウトコントラストなど)への影響を評価する。 制御された電子線露光下でのT_1$リラクソメトリーにより、自由電子-スピン結合強度の上限を確立する。 我々は,NV中心を自由電子の定量的プローブとして確立し,現実的な条件下での自由電子-量子カップリングの計量的ベンチマークを行い,電子ビームによる固体量子制御への道筋を図った。

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