論文の概要: Quantum sensing with a spin ensemble in a two-dimensional material

• arxiv url: http://arxiv.org/abs/2509.08984v1
• Date: Wed, 10 Sep 2025 20:29:54 GMT
• ステータス: 翻訳完了
• システム内更新日: 2025-09-12 16:52:24.140512
• Title: Quantum sensing with a spin ensemble in a two-dimensional material
• Title（参考訳）: 2次元材料におけるスピンアンサンブルを用いた量子センシング
• Authors: Souvik Biswas, Giovanni Scuri, Noah Huffman, Eric I. Rosenthal, Ruotian Gong, Thomas Poirier, Xingyu Gao, Sumukh Vaidya, Abigail J. Stein, Tsachy Weissman, James H. Edgar, Tongcang Li, Chong Zu, Jelena Vučković, Joonhee Choi,
• Abstract要約: 2次元六方晶窒化ホウ素(hBN)結晶中の新しい2次元スピンアンサンブルを探索する枠組みを提案する。 記録コヒーレンス時間80$mu$sとナノテスラレベルの交流磁気感度を10nmの目標距離で達成する。 これらの結果は、超高感度、可変ノイズ選択性、多用途量子機能を有する次世代量子センサの基礎を築いた。
• 参考スコア（独自算出の注目度）: 7.451972620139387
• License: http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
• Abstract: Quantum sensing with solid-state spin defects has transformed nanoscale metrology, offering sub-wavelength spatial resolution with exceptional sensitivity to multiple signal types. Maximizing these advantages requires minimizing both the sensor-target separation and detectable signalthreshold. However, leading platforms such as nitrogen-vacancy (NV) centers in diamond suffer performance degradation near surfaces or in nanoscale volumes, motivating the search for optically addressable spin sensors in atomically thin, two-dimensional (2D) materials. Here, we present an experimental framework to probe a novel 2D spin ensemble, including its Hamiltonian, coherent sensing dynamics, and noise environment. Using a central spin system in a 2D hexagonal boron nitride (hBN) crystal, we fully map the hyperfine interactions with proximal nuclear spins, demonstrate programmable switching between magnetic and electric sensing, and introduce a robust method for reconstructing the environmental noise spectrum explicitly accounting for quantum control imperfections. We achieve a record coherence time of 80 $\mu$s and nanotesla-level AC magnetic sensitivity at a 10 nm target distance, reaching the threshold for detecting a single nuclear spin in nanoscale spectroscopy. Leveraging the broad opportunities for defect engineering in atomically thin hosts, these results lay the foundation for next-generation quantum sensors with ultrahigh sensitivity, tunable noise selectivity, and versatile quantum functionalities.
• Abstract（参考訳）: 固体スピン欠陥を用いた量子センシングはナノスケールのメロロジーを変換し、複数の信号タイプに非常に敏感なサブ波長空間分解能を提供する。 これらの利点を最大化するには、センサーとターゲットの分離と検出可能な信号閾値の両方を最小化する必要がある。 しかし、ダイヤモンド中の窒素空孔(NV)中心のような主要なプラットフォームは、表面やナノスケールの体積付近での性能劣化に悩まされ、原子的に薄い2次元(2D)材料で光アドレス可能なスピンセンサーを探索する動機となった。 本稿では,ハミルトニアン,コヒーレントセンシング,ノイズ環境など,新しい2次元スピンアンサンブルを探索するための実験的枠組みを提案する。 2次元ヘキサゴナル窒化ホウ素(hBN)結晶における中心スピン系を用いて、近位スピンとの超微粒子相互作用を完全にマッピングし、磁気と電気のセンシングをプログラム的に切り替えることを示すとともに、量子制御の不完全性を考慮した環境騒音スペクトルを再構成する堅牢な方法を提案する。 記録コヒーレンス時間80$\mu$s, ナノテスラレベルの交流磁気感度を10nmの目標距離で達成し, ナノスケール分光における単一核スピン検出のしきい値に達した。 これらの結果は、原子的に薄いホストにおける欠陥工学の幅広い機会を生かし、超高感度、チューニング可能なノイズ選択性、多目的量子機能を備えた次世代量子センサーの基礎を築いた。

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