論文の概要: Quantum Metrology of Spin Sensing with Free Space Electrons

• arxiv url: http://arxiv.org/abs/2509.14982v1
• Date: Thu, 18 Sep 2025 14:12:56 GMT
• ステータス: 翻訳完了
• システム内更新日: 2025-09-19 17:26:53.260327
• Title: Quantum Metrology of Spin Sensing with Free Space Electrons
• Title（参考訳）: 自由空間電子を用いたスピンセンシングの量子メトロロジー
• Authors: Santiago Beltrán-Romero, Michael Gaida, Philipp Haslinger, Dennis Rätzel, Stefan Nimmrichter,
• Abstract要約: 透過電子顕微鏡の最近の進歩は、単一スピン感度のスピン共鳴分光への道を開いた。 磁気モーメントの大きさを推定し,スピンの存在を識別する。 従来のTEMイメージングは、スピン状態へのプローブ電子のバックアクションが無視できる場合、量子境界を飽和させることができる。
• 参考スコア（独自算出の注目度）: 0.0
• License: http://arxiv.org/licenses/nonexclusive-distrib/1.0/
• Abstract: Recent advances in transmission electron microscopy (TEM) have opened the path toward spin resonance spectroscopy with single-spin sensitivity. To assess this potential, we investigate the quantum precision limits for sensing magnetic moments with free-electron probes. Using a scattering model where an electron wavepacket interacts with a localized spin, we study two metrological tasks: estimating the magnitude of the magnetic moment and discriminating the presence of a spin. The sensitivity for a given measurement setting is generally determined by the classical Fisher information, which we benchmark against the quantum bound optimized over all measurements. We find that conventional TEM imaging can saturate the quantum bound when backaction of the probe electron onto the spin state is negligible. We also find that, when backaction is relevant, one could do better by realizing a measurement of the electron's orbital angular momentum state. These results establish the quantum limits of spin sensing in TEM and guide the development of future experiments probing individual electron spins or nanoscale ensembles of nuclear spins.
• Abstract（参考訳）: 透過電子顕微鏡(TEM)の最近の進歩は、単一スピン感度でスピン共鳴分光への道を開いた。 このポテンシャルを評価するために、自由電子プローブを用いた磁気モーメント検出のための量子精度限界について検討する。 電子ウェーブレットが局在スピンと相互作用する散乱モデルを用いて、磁気モーメントの大きさを推定し、スピンの存在を識別する2つの気象学的なタスクを研究する。 与えられた測定設定に対する感度は、すべての測定に最適化された量子境界に対してベンチマークを行う古典的なフィッシャー情報によって決定される。 従来のTEMイメージングは、スピン状態へのプローブ電子のバックアクションが無視できる場合、量子境界を飽和させることができる。 また、バックアクションが関係している場合には、電子の軌道角運動量状態を測定することで、より良くすることができる。 これらの結果は、TEMにおけるスピンセンシングの量子限界を確立し、個々の電子スピンまたは核スピンのナノスケールアンサンブルを探索する将来の実験の開発を導く。

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