論文の概要: Phonon-limited detection thresholds for genetically encoded fluorescent-protein spin-qubit relaxometry of neural radicals
- arxiv url: http://arxiv.org/abs/2609.02792v1
- Date: Wed, 02 Sep 2026 16:25:19 GMT
- ステータス: 翻訳完了
- システム内更新日: 2026-09-03 17:53:18.47018
- Title: Phonon-limited detection thresholds for genetically encoded fluorescent-protein spin-qubit relaxometry of neural radicals
- Title（参考訳）: 神経ラジカルの遺伝子コード化蛍光タンパク質スピン量子緩和測定のためのフォノン制限検出しきい値
- Abstract要約: 黄色蛍光タンパク質の増強は、光学的に対応可能なスピン-1量子ビットを準安定三重項状態にホストする。
我々は、この蛍光タンパク質スピン量子ビットを用いて、スピン緩和法により常磁性神経信号ラジカルを検知するための検出限界理論を開発した。
- 参考スコア（独自算出の注目度）: 0.26097841018267615
- License: http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
- Abstract: The demonstration that enhanced yellow fluorescent protein hosts an optically addressable spin-1 qubit in its metastable triplet state raises the prospect of genetically encoded quantum sensing at molecular length scales. We develop a detection-limit theory for using this fluorescent-protein spin qubit (FPSQ) to sense paramagnetic neural signaling radicals by spin relaxometry. We derive the transition-resolved Redfield relaxation matrix of the zero-field-split triplet coupled to a diffusing radical bath, establish the regime in which it collapses to a single exponential, and validate it against Lindblad simulations and nitrogen-vacancy benchmarks. Propagating the effects of photon shot noise, photobleaching-grounded photon budget, and finite measurement bandwidth, we find that the native room-temperature sensor falls short of physiological sensitivity by six to eight orders of magnitude with the bottleneck being the phonon-limited intrinsic $\Tone$. Analyzing the underlying direct and two-phonon Raman processes, we show that room-temperature relaxation is Raman-dominated by $\sim\!720\!:\!1$ and that, because the Raman coefficient scales as $v^{-10}$ with sound velocity, a $\sim\!2\times$ stiffening of the chromophore environment recovers $\Tone\sim\SI{100}{\micro\second}$, sufficient for micromolar sensing. Nanomolar sensing is obstructed by a direct-process ceiling of \SI{79}{\micro\second} that vibronic decoupling alone cannot breach. We obtain quantitative design rules, identify photon yield as a co-equal bottleneck, and propose a frequency-resolved protocol for chemical specificity.
- Abstract（参考訳）: 黄色の蛍光タンパク質を増強したデモンストレーションでは、光アドレス可能なスピン-1量子ビットを準安定三重項状態にホストすることで、分子長スケールでの遺伝的にエンコードされた量子センシングの見通しが高められる。
我々は、この蛍光タンパク質スピン量子ビット(FPSQ)を用いて、スピン緩和法により常磁性神経信号ラジカルを検知するための検出限界理論を開発した。
我々は、拡散ラジカル浴に結合したゼロフィールドスプリット三重項の遷移分解レッドフィールド緩和行列を導出し、単一指数に崩壊する状態を確立し、リンドブラッドシミュレーションや窒素空孔ベンチマークに対して検証する。
フォトンショットノイズ, フォト漂白光子予算, 有限測定帯域幅の影響を推察したところ, 自然室温センサは6～8桁の感度に欠けており, ボトルネックはフォノン限定の内在性$\Tone$であることがわかった。
直接および2フォノンのラマン過程を解析した結果、室温緩和はラマン支配の$\sim\!
720!
: !
というのも、ラマン係数は音速で$v^{-10} とスケールするため、$\sim\!
2\times$ largerening of the chromophore environment recoverys $\Tone\sim\SI{100}{\micro\second}$, enough for micromolar sensor。
ナノモルセンシングは、ビブロニックデカップリングだけでは破れない SI{79}{\micro\second} の直接プロセス天井によって妨害される。
我々は定量的な設計規則を求め、光子収率を同一のボトルネックとして同定し、化学特異性のための周波数分解プロトコルを提案する。
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