論文の概要: Optically detected nuclear magnetic resonance of carbon-13 in bulk diamond

• arxiv url: http://arxiv.org/abs/2605.00152v1
• Date: Thu, 30 Apr 2026 19:19:37 GMT
• ステータス: 翻訳完了
• システム内更新日: 2026-05-04 17:43:28.720171
• Title: Optically detected nuclear magnetic resonance of carbon-13 in bulk diamond
• Title（参考訳）: バルクダイヤモンド中の炭素13の光検出核磁気共鳴
• Authors: Maxwell D. Aiello, Janis Smits, Yaser Silani, Andris Berzins, David Lidsky, Bryan A. Richards, Amilcar Jeronimo Perez, Chandrasekhar Ramanathan, Sebastián C. Carrasco, Jabir Chathanathil, Michael Goerz, Vladimir Malinovsky, Dmitry Budker, Sean Lourette, Andrey Jarmola, Victor M. Acosta,
• Abstract要約: ダイヤモンド中の13C核スピンを固体実装の候補系として検討する。 我々は、偏光核スピンの大きなアンサンブルの光偏光と読み出しの両方を可能にする手法を実証する。 この手法は、核スピンが脱分極する前に、各NV中心が光学的に100個の核のスピン状態を読み取る、反復的な読み出しの一種として解釈できる。
• 参考スコア（独自算出の注目度）: 0.03884646686228737
• License: http://arxiv.org/licenses/nonexclusive-distrib/1.0/
• Abstract: Precision measurements based on optically detected nuclear magnetic resonance offer exquisite sensitivity to absolute shifts in spin transition frequencies, with potential applications in fundamental physics experiments and inertial sensing. We investigate 13C nuclear spins in diamond as a candidate system for solid-state implementations, which hold the promise for high-fidelity readout of large numbers of coherent nuclear spins in millitesla or lower magnetic fields. We demonstrate a technique that allows for both optical polarization and readout of large ensembles of ~10^{16} polarized nuclear spins. Our method takes advantage of state-selective Landau-Zener transitions under microwave frequency sweeping, which bidirectionally transfer spin polarization between Nitrogen-Vacancy (NV) electron spins and remote 13C nuclear spins. Using natural isotopic abundance diamonds with nitrogen densities of ~0.5-10 ppm, we perform optically-detected 13C Ramsey spectroscopy and realize a nuclear-spin-dependent fluorescence contrast exceeding 0.5% peak-to-peak. We observe nuclear spin dephasing times T2*~2 ms that only modestly improve with homonuclear dipolar decoupling, indicating that they are limited by the longitudinal spin relaxation of nearby NV electron spins. We study the magnetic field dependence of the optical readout and find comparable contrast and dephasing times for magnetic fields in the range 8-20 mT. Our method can be interpreted as a type of repetitive readout, where each NV center optically reads out the spin state of ~100 nuclei before nuclear spins depolarize.
• Abstract（参考訳）: 光学的に検出された核磁気共鳴に基づく精密測定は、スピン遷移周波数の絶対シフトに精巧な感度を与え、基礎物理学実験や慣性センシングに応用できる可能性がある。 本研究では, ダイヤモンド中の13C核スピンを固体実装の候補システムとして検討し, マイライトスラまたは低磁場中における多数のコヒーレント核スピンの高忠実度読み出しを約束する。 約10^{16}の偏光核スピンの大きなアンサンブルの光偏光と読み出しを両立させる手法を実証する。 本手法は,NV電子スピンと遠隔13C核スピン間のスピン偏極を双方向に伝達するマイクロ波スイーピングにおける状態選択型ランダウ-ツェナー遷移を利用する。 窒素密度0.5-10 ppmの天然同位体量ダイヤモンドを用いて、光学的に検出された13Cラムゼー分光を行い、0.5%のピークからピークまでの核スピン依存蛍光コントラストを実現する。 我々は、近辺のNV電子スピンの縦方向のスピン緩和によって制限されていることが示され、均核双極性脱カップリングによってわずかに改善される核スピン脱落時間T2*~2msを観察した。 本手法は,核スピンの脱分極前に,各NV中心が約100個の核のスピン状態を読み取る繰り返し読み出しの一種として解釈することができる。

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