論文の概要: Quantum Sensing of Copper-Phthalocyanine Electron Spins via NV Relaxometry

• arxiv url: http://arxiv.org/abs/2511.03200v1
• Date: Wed, 05 Nov 2025 05:33:13 GMT
• ステータス: 翻訳完了
• システム内更新日: 2025-11-06 18:19:32.341029
• Title: Quantum Sensing of Copper-Phthalocyanine Electron Spins via NV Relaxometry
• Title（参考訳）: NVリラクソメトリーによる銅-フタロシアニン電子スピンの量子センシング
• Authors: Boning Li, Xufan Li, Yifan Quan, Avetik R Harutyunyan, Paola Cappellaro,
• Abstract要約: 分子スピンシステムは量子情報処理とナノスケールセンシングの候補として有望である。 多結晶銅フタロシアニン薄膜の電子スピンアンサンブルをプローブするために、ダイヤモンド中の浅い窒素空孔中心のT_1$リラクソメトリーを用いる。 この結果は、分子スピン系の強力なプローブとしてNV中心を確立し、分子量子ビット、スピン浴工学、ハイブリッド量子材料に関する洞察を提供する。
• 参考スコア（独自算出の注目度）: 5.279375755987053
• License: http://arxiv.org/licenses/nonexclusive-distrib/1.0/
• Abstract: Molecular spin systems are promising candidates for quantum information processing and nanoscale sensing, yet their characterization at room temperature remains challenging due to fast spin decoherence. In this work, we use $T_1$ relaxometry of shallow nitrogen-vacancy (NV) centers in diamond to probe the electron spin ensemble of a polycrystalline copper phthalocyanine (CuPc) thin film. In addition to unequivocally identifying the NV-CuPc interaction thanks to its hyperfine spectrum, we further extract key parameters of the CuPc spin ensemble, including its correlation time and local lattice orientation, that cannot be measured in bulk electron resonance experiments. The analysis of our experimental results confirms that electron-electron interactions dominate the decoherence dynamics of CuPc at room temperature. Additionally, we demonstrate that the CuPc-enhanced NV relaxometry can serve as a robust method to estimate the NV depth with $\sim1$~nm precision. Our results establish NV centers as powerful probes for molecular spin systems, providing insights into molecular qubits, spin bath engineering, and hybrid quantum materials, and offering a potential pathway toward their applications such as molecular-scale quantum processors and spin-based quantum networks.
• Abstract（参考訳）: 分子スピンシステムは量子情報処理とナノスケールセンシングの候補として期待されているが、高速スピンデコヒーレンスにより室温でのキャラクタリゼーションは困難である。 本研究では,多結晶銅フタロシアニン (CuPc) 薄膜の電子スピンアンサンブルを探索するために,ダイヤモンド中の浅い窒素空孔 (NV) 中心のT_1$リラクソメトリーを用いる。 超微粒子スペクトルによるNV-CuPc相互作用の同定に加えて, バルク電子共鳴実験では測定できない相関時間や局所格子配向を含むCuPcスピンアンサンブルの鍵パラメータを抽出する。 実験結果から,電子-電子相互作用が室温でのCuPcの脱コヒーレンスダイナミクスを支配していることが確認された。 さらに、CuPcで強化されたNV緩和法は、$\sim1$~nmの精度でNV深さを推定する堅牢な方法として機能することを示した。 本研究は,NV中心を分子スピン系の強力なプローブとして確立し,分子量子ビット,スピン浴工学,ハイブリッド量子材料への洞察を提供し,分子スケール量子プロセッサやスピンベース量子ネットワークなどの応用への潜在的経路を提供する。

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