論文の概要: Magnonic cavity-enhanced quantum magnetometry with nitrogen-vacancy centre ensembles

• arxiv url: http://arxiv.org/abs/2610.11350v1
• Date: Thu, 08 Oct 2026 06:44:57 GMT
• ステータス: 翻訳完了
• システム内更新日: 2026-10-10 02:36:53.840561
• Title: Magnonic cavity-enhanced quantum magnetometry with nitrogen-vacancy centre ensembles
• Title（参考訳）: 窒素空孔中心アンサンブルを用いたマグネニクス空洞型量子磁気メトリー
• Abstract要約: 窒素空洞(NV)中心のアンサンブルは室温磁気センサをリードする。 本研究は, 1次元YIG/CoFeBマグネニクス結晶を中心に構築されたチップスケール型NV磁気センサを提案する。
• 参考スコア（独自算出の注目度）: 0.31939136611614904
• License: http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
• Abstract: Nitrogen-vacancy (NV) centre ensembles are leading room-temperature magnetometers, but their sensitivity is usually extracted from a single resonance and relies on external microwave and bias-field hardware. This work proposes a chip-scale NV magnetometer built around a one-dimensional YIG/CoFeB magnonic crystal, in which a single structural defect forms a passive magnonic cavity and integrated permanent magnets supply the bias field. Micromagnetic simulations show a defect-localised spin-wave mode at 2.910 GHz inside the 2.5-3.0 GHz magnonic band gap, 40 MHz from the NV zero-field splitting, with a band structure that matches an independent plane-wave calculation. A Tavis-Cummings/Lindblad model in which the microwave reaches the NV ensemble through this mode predicts a hyperfine-resolved optically detected magnetic resonance spectrum that is strong only within the mode linewidth, and a dispersive homodyne response with one steep edge per $^{14}$N hyperfine line. The master-equation solutions agree with the closed-form homodyne steady state ($R^2 > 0.9999$) and with an approximate analytic ODMR theory (peak positions within 0.012 MHz). For a critically coupled readout with room-temperature electronics, combining the three edges gives a projected sensitivity of 93 pT/$\sqrt{\rm Hz}$, a $\sqrt{3}$-fold gain over the best single edge. Mapping the sensitivity against the NV-magnon coupling reveals an optimum near $g_{\rm ens}/2π\approx 0.2$-$0.4$ MHz, where it reaches 72 pT/$\sqrt{\rm Hz}$ for a 0.64 MHz spin linewidth and 19 pT/$\sqrt{\rm Hz}$ for 0.17 MHz, with thermal limits of 6.6 and 1.7 pT/$\sqrt{\rm Hz}$. The antenna-mode coupling, the NV-magnon coupling and the spin linewidth are therefore the main design levers.
• Abstract（参考訳）: 窒素空洞(NV)中心のアンサンブルは室温磁気センサをリードするが、その感度は通常単一の共鳴から抽出され、外部マイクロ波とバイアスフィールドのハードウェアに依存している。 本研究は, 1次元YIG/CoFeBマグネニクス結晶の周囲にチップスケールのNV磁気センサを設置し, 一つの構造欠陥が受動マグネニクスキャビティを形成し, 永久磁石がバイアス場を供給することを提案する。 マイクロ磁気シミュレーションは、2.5-3.0GHzのマグノニックバンドギャップ内の2.910GHzの欠陥局在スピン波モードを示し、NVゼロフィールド分割から40MHzの帯域構造は独立した平面波計算と一致する。 このモードでマイクロ波がNVアンサンブルに到達したTavis-Cummings/Lindbladモデルは、モード線幅内でのみ強い超微細分解された光磁気共鳴スペクトルと、1つの急勾配が$^{14}$N超微細線である分散ホモダインの応答を予測する。 主方程式解は閉形式ホモダイン定常状態(R^2 > 0.9999$)と近似解析ODMR理論(0.012MHz以内の位置)に一致する。 3つのエッジを組み合わせると、93 pT/$\sqrt{\rm Hz}$, $\sqrt{3}$-fold の感度が得られる。 NV-マグノンカップリングに対する感度のマッピングにより、72 pT/$\sqrt{\rm Hz}$が0.64 MHz、19 pT/$\sqrt{\rm Hz}$が0.17 MHz、熱限界が6.6および1.7 pT/$\sqrt{\rm Hz}$に到達する。 したがって、アンテナモード結合、NV-マグノン結合、スピン線幅は主設計レバーである。

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