Extension of nitrogen-vacancy center spin coherence time by controlling P1 center spin bath in diamond

2022 Fiscal Year Final Research Report

• Project/Area Number: 20K22480
• Research Category: Grant-in-Aid for Research Activity Start-up
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Review Section: 0402:Nano/micro science, applied condensed matter physics, applied physics and engineering, and related fields
• Research Institution: Tokyo Institute of Technology
• Principal Investigator: Arai Keigo 東京工業大学, 工学院, 准教授 (10786792)
• Project Period (FY): 2020-09-11 – 2023-03-31
• Keywords: ダイヤモンド / 窒素・空孔欠陥 / 量子センシング / 量子制御 / 電子スピン

Outline of Final Research Achievements

The nitrogen-vacancy (NV) centers in diamond are expected to play an essential role as next-generation sensors. However, the sensitivity, a key performance indicator as a sensor, is fundamentally limited by the noise of nitrogen (P1) centers. In this study, we applied pulse sequences such as spin-locking, spin-echo, and dynamic decoupling methods to the P1 center and compared the effectiveness of noise reduction. As a result, we found that the spin-lock method is the most effective for noise removal under strong RF and can extend the coherence time of NV centers. We also tried to explain the above by the noise spectroscopy theory following the Ornstein-Uhlenbeck process we have constructed so far.

Free Research Field

量子センシング

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

本研究は、コヒーレンス時間を決めるP1センターのノイズ分布の解明、およびそれによるNVセンターのコヒーレンス時間の伸長を目的としていた。先行研究は、P1センターへのスピンロック法やスピン・エコー法の適用、またはNVセンターへの動的減結合法の適用に留まっていた。一方で本成果は、より一般的なパルスシークエンスについてノイズ除去の影響を明らかにし、さらにノイズ・スぺクトロスコピー理論からの包括的な理解に取り組んだ点に学術的意義がある。また、より応用範囲の広いDC磁場センシングに活用するため、NVセンターにはラムジー法を適用した点で社会的意義があると言える。