論文の概要: Ramsey correlation spectroscopy with phase cycling using a single quantum sensor

• arxiv url: http://arxiv.org/abs/2603.05650v1
• Date: Thu, 05 Mar 2026 19:59:24 GMT
• ステータス: 翻訳完了
• システム内更新日: 2026-03-09 13:17:44.48208
• Title: Ramsey correlation spectroscopy with phase cycling using a single quantum sensor
• Title（参考訳）: 単一量子センサを用いた位相サイクリングによるラムゼー相関分光
• Authors: Inbar Zohar, Santiago Oviedo-Casado, Andrej Denisenko, Rainer Stöhr, Amit Finkler,
• Abstract要約: 本稿では,Ramsey測定と相関スペクトルを組み合わせることで,制約を克服するプロトコルであるRESOLUTEを提案する。 本研究では, 実効コヒーレンス時間を$T* = 0.38,s$から$Tp = 5.1,s$に拡張し, ハーンエコー測定を上回った。 これらの進歩により、単一分子イメージングおよび量子センシング用途の感度が向上する。
• 参考スコア（独自算出の注目度）: 0.0
• License: http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/
• Abstract: Magnetic spectroscopy at the nanoscale provides unique insights into material properties and dynamics, with quantum sensors like nitrogen-vacancy (NV) centers being ideally suited for these scales. However, detecting low-frequency signals remains a challenge due to finite coherence times ($T_2^*$), as signals oscillating slower than $1/T_2^*$ decay before sufficient phase accumulation occurs. We present RESOLUTE (Ramsey corrElation SpectroscOpy puLse seqUence wiTh phasE cycling), a protocol that overcomes these limitations by combining Ramsey measurements with correlation spectroscopy. By storing accumulated phase as a population imbalance during a correlation period ($T_\mathrm{corr} < T_1$) between two sensing periods, RESOLUTE generates an effective coherence time $T_2^p > T_2^*$. This shifts the frequency-matching condition to the correlation time, enabling detection in the previously inaccessible spectral region between $1/T_1$ and $1/T_2^p$. We experimentally demonstrate an extension of the effective coherence time from $T_2^* = 0.38\,μs$ to $T_2^p = 5.1\,μs$, surpassing Hahn Echo measurements. The technique successfully detects $^{13}$C nuclear spin Larmor precession at fields as low as 49$\,$G ($\sim$50$\,$kHz). We further provide theoretical insight using Fisher information to characterize RESOLUTE's frequency estimation capabilities compared to existing protocols. Finally, by integrating adiabatic pulses and phase cycling, we demonstrate robust spin control and effective DC signal extraction. These advancements provide enhanced sensitivity to weak dipolar interactions, essential for single-molecule imaging and quantum sensing applications.
• Abstract（参考訳）: ナノスケールでの磁気スペクトロスコピーは、窒素空孔(NV)センターのような量子センサーがこれらのスケールに最適である、材料特性と力学に関するユニークな洞察を提供する。 しかし、十分な位相蓄積が起こる前に1/T_2^*$の振動が遅くなるため、有限コヒーレンス時間(T_2^*$)のため、低周波信号の検出は依然として困難である。 本稿では,Ramsey測定と相関スペクトルを組み合わせたRESOLUTE(Ramsey corrElation SpectroscOpy puLse seqUence wiTh phasE cycling)を提案する。 2回のセンシング期間間の相関期間(T_\mathrm{corr} < T_1$)の間に蓄積した位相を集団不均衡として保存することにより、RESOLUTEは有効コヒーレンス時間$T_2^p > T_2^*$を生成する。 これにより、周波数マッチング条件を相関時間にシフトし、1/T_1$から1/T_2^p$の間で、従来アクセス不能なスペクトル領域の検出を可能にする。 我々は, 実効コヒーレンス時間を$T_2^* = 0.38\,μs$から$T_2^p = 5.1\,μs$に拡張し, ハーンエコー測定を上回った。 この技術は、49$\,$G ($\sim$50$\,$kHz)の低いフィールドで、$^{13}$C核スピンラーモアの利権を検出することに成功した。 さらに、フィッシャー情報を用いて、既存のプロトコルと比較して、RESOLUTEの周波数推定能力を特徴付ける理論的洞察を提供する。 最後に、断熱パルスと位相サイクリングを統合することにより、ロバストスピン制御と有効直流信号抽出を実証する。 これらの進歩は、単一分子イメージングおよび量子センシング用途に不可欠な弱い双極子相互作用に対する感度を高める。

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