論文の概要: Understanding Surface-Induced Decoherence of NV Centers in Diamond

• arxiv url: http://arxiv.org/abs/2512.10726v1
• Date: Thu, 11 Dec 2025 15:09:21 GMT
• ステータス: 翻訳完了
• システム内更新日: 2025-12-12 16:15:42.434836
• Title: Understanding Surface-Induced Decoherence of NV Centers in Diamond
• Title（参考訳）: ダイヤモンド中のNV中心の表面誘起デコヒーレンスを理解する
• Authors: Jonah Nagura, Mykyta Onizhuk, Giulia Galli,
• Abstract要約: ダイヤモンド表面に近い窒素空孔中心(NV)は、ナノスケールの量子センサーを約束している。 コヒーレンス特性は、磁気および電気的表面ノイズによって負の影響を受ける。 結晶配向と機能化がNV-echo時間に与える影響を定量化する。
• 参考スコア（独自算出の注目度）: 0.0
• License: http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
• Abstract: Nitrogen vacancy centers (NV) in proximity to diamond surfaces are promising nanoscale quantum sensors. However, their coherence properties are negatively affected by magnetic and electric surface noise, whose origin and detailed impact have remained elusive. Using atomistic models of diamond surfaces derived with density functional theory, together with decoherence time calculations with cluster correlation expansion methods, we quantify the effects of surface crystallographic orientation and functionalization, and of the density of unpaired electrons on the NV Hahn-echo time $T_2$. We determine a crossover depth at which $T_2$ ceases to be limited by surface nuclear spins and recovers the bulk-limited value. We find that for static surface-electron baths, the ratio between the NV depth and the separation between surface electron spins determines a transition from fast-fluctuating to quasi-static noise, leading to a dependence of $T_2$ on orientation for specific surfaces. We also find that the modulation of $T_2$ by spin-phonon relaxations leads to motional-narrowing at sub-microsecond relaxation times. Importantly, our calculations show that it is only when accounting for surface-spin in-sequence hopping that measured $T_2$ values as a function of depth can be reproduced, thus highlighting the importance of hopping-mediated models to describe the surface spin noise affecting NV sensors. Overall, our work provides clear guidelines for engineering diamond surfaces to achieve enhanced NV coherence for quantum sensing and information processing applications.
• Abstract（参考訳）: ダイヤモンド表面に近い窒素空孔中心(NV)は、ナノスケールの量子センサーを約束している。 しかし、そのコヒーレンス特性は、その起源と詳細な影響が解明されていない磁気的および電気的表面ノイズに負の影響を受けている。 密度汎関数理論で導かれたダイヤモンド表面の原子モデルとクラスタ相関展開法によるデコヒーレンス時間計算を用いて、表面結晶配向と官能化の効果、およびNVハーン・エチョ時間$T_2$における不対電子の密度の定量化を行う。 我々は、表面核スピンによって制限されるT_2$が停止するクロスオーバー深さを決定し、バルク制限値を回復する。 静電気浴では、NV深さと表面電子スピンの分離の比が高速変動から準静電雑音への遷移を決定し、特定の表面の配向に$T_2$が依存することがわかった。 また、スピンフォノン緩和による$T_2$の変調は、サブミクロ秒緩和時間における運動狭小化につながることも見出した。 筆者らの計算では,深度関数として測定されたT_2$値が再現可能である表面スピン内ホッピングを考慮に入れた場合にのみ,NVセンサに影響を及ぼす表面スピンノイズを記述するホッピングモデルの重要性が示された。 全体として、我々の研究は、量子センシングおよび情報処理応用のための強化されたNVコヒーレンスを実現するために、ダイヤモンド表面のエンジニアリングのための明確なガイドラインを提供する。

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