論文の概要: Finite-Time Electrometry with a Quantum-Regime Single-Ion Phonon Laser
- arxiv url: http://arxiv.org/abs/2606.21068v1
- Date: Fri, 19 Jun 2026 03:35:12 GMT
- ステータス: 情報取得中
- システム内更新日: 2026-06-23 11:28:48.208049
- Title: Finite-Time Electrometry with a Quantum-Regime Single-Ion Phonon Laser
- Title（参考訳）: 量子レジム単一イオンフォノンレーザーによる有限時間電気測定
- Authors: Pei-Dong Li, Yuan-Zhang Dong, Zhuo-Zhu Wu, Jia-Wei Wang, Ji Li, Jian-Qi Zhang, Zhi-Jiao Deng, Liang Chen, Mang Feng,
- Abstract要約: 本稿では,40mathrmCa+$イオンを用いた量子レジム単一イオンフォノンレーザーの初回実験を報告する。
フォノンレーザーパラメータをチューニングすることにより、センシング性能は基礎となるオープン量子系の有限時間緩和ダイナミクスによって制御されることを明らかにした。
- 参考スコア（独自算出の注目度）: 11.574116954665998
- License:
- Abstract: The phonon laser realized in a trapped ion, i.e., a self-sustained mechanical oscillator, has demonstrated the unique characteristics in practically detecting externally applied electric signals without the prerequisite of sideband cooling. Entering the quantum regime via sideband cooling is expected to further improve its sensing performance. Here we report the first experimental realization of a quantum-regime single-ion phonon laser ($\bar{n}<10$) using a trapped $^{40}\mathrm{Ca}^+$ ion and demonstrate electrometry based on its phase-space symmetry-breaking response to weak resonant electric fields. By tuning the phonon-laser parameters, we reveal that the sensing performance is fundamentally governed by the finite-time relaxation dynamics of the underlying open quantum system. We find that a slow Liouvillian relaxation, correlated with the finite experimental interaction window, effectively enhances the dynamic susceptibility while maintaining the structural robustness of the limit cycle. This regime, when applied to the detection of electric fields, produces a shot-noise-limited peak sensitivity of $14.15 \pm 0.77~μ\mathrm{V/m}/\sqrt{\mathrm{Hz}}$ and a minimum detectable field variation of $δE_{\mathrm{min}} \approx 1.83~μ\mathrm{V/m}$. Our results establish quantum phonon lasers as a practical platform for advanced sensing and highlight the central role of Liouvillian dynamics in non-equilibrium electrometry.
- Abstract（参考訳）: 閉じ込められたイオンで実現されたフォノンレーザー、すなわち自給式機械発振器は、サイドバンド冷却を必要とせず、外部に印加された電気信号を実際に検出する特性を実証した。
サイドバンド冷却により量子状態に入ることにより、検知性能がさらに向上することが期待されている。
ここでは、捕捉された$^{40}\mathrm{Ca}^+$イオンを用いて量子レジム単一イオンフォノンレーザー(\bar{n}<10$)を初めて実験的に実現し、弱共振電場に対する位相空間対称性破壊応答に基づく電気測定を実証する。
フォノンレーザーパラメータをチューニングすることにより、センシング性能は基礎となるオープン量子系の有限時間緩和ダイナミクスによって根本的に制御されていることを明らかにした。
有限実験的相互作用ウィンドウと相関する緩やかなリウビリア緩和は、極限周期の構造的堅牢性を維持しながら、動的感受性を効果的に向上させる。
この状態は電場検出に適用すると、14.15 \pm 0.77~μ\mathrm{V/m}/\sqrt{\mathrm{Hz}}$のショットノイズ制限ピーク感度と、$δE_{\mathrm{min}} \approx 1.83~μ\mathrm{V/m}$の最小検出可能なフィールド変動を生成する。
本研究は, 量子フォノンレーザーを高度センシングのための実用的プラットフォームとして確立し, 非平衡電気測定におけるリウヴィリア動力学の中心的役割を強調した。
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