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量子物理

arXiv:2411.05542 (quant-ph)
[提交于 2024年11月8日 ]

标题: 具有1.1纳秒时间分辨率的瞬态信号量子磁强计

标题: Quantum magnetometry of transient signals with a time resolution of 1.1 nanoseconds

Authors:Konstantin Herb, Laura A. Völker, John M. Abendroth, Nicholas Meinhardt, Laura van Schie, Pietro Gambardella, Christian L. Degen
摘要: 基于固体中自旋缺陷的量子磁强计能够灵敏地成像各种磁现象,例如铁磁性和反铁磁性、超导性和电流引起的磁场。 现有协议主要关注静态场或窄带动态信号,并优化以实现高灵敏度而非快速时间分辨率。 在此,我们报告了对快速信号瞬变的检测,为研究磁系统的丰富动力学提供了新视角。 我们通过在室温下使用单个氮空位(NV)中心磁强计实验验证了该技术,达到了最佳努力的时间分辨率1.1 ns,瞬时带宽为0.9 GHz,并且飞行时间精度优于20 ps。 通过使用片上波导,时间分辨率可以扩展到皮秒范围。 在这些速度下,NV量子磁强计将与时间分辨同步辐射X射线技术相竞争。 展望未来,将快速时间分辨率与空间成像能力结合,将进一步推动单自旋探针作为自旋电子学、介观物理和纳米尺度器件计量的强大研究工具。
摘要: Quantum magnetometers based on spin defects in solids enable sensitive imaging of various magnetic phenomena, such as ferro- and antiferromagnetism, superconductivity, and current-induced fields. Existing protocols primarily focus on static fields or narrow-band dynamical signals, and are optimized for high sensitivity rather than fast time resolution. Here, we report detection of fast signal transients, providing a perspective for investigating the rich dynamics of magnetic systems. We experimentally demonstrate our technique using a single nitrogen-vacancy (NV) center magnetometer at room temperature, reaching a best-effort time resolution of 1.1 ns, an instantaneous bandwidth of 0.9 GHz, and a time-of-flight precision better than 20 ps. The time resolution can be extended to the picosecond range by use of on-chip waveguides. At these speeds, NV quantum magnetometers will become competitive with time-resolved synchrotron X-ray techniques. Looking forward, adding fast temporal resolution to the spatial imaging capability further promotes single-spin probes as powerful research tools in spintronics, mesoscopic physics, and nanoscale device metrology.
评论: 11页,包括方法
主题: 量子物理 (quant-ph) ; 中尺度与纳米尺度物理 (cond-mat.mes-hall); 材料科学 (cond-mat.mtrl-sci); 仪器与探测器 (physics.ins-det)
引用方式: arXiv:2411.05542 [quant-ph]
  (或者 arXiv:2411.05542v1 [quant-ph] 对于此版本)
  https://doi.org/10.48550/arXiv.2411.05542
通过 DataCite 发表的 arXiv DOI
期刊参考: Nat Commun 16, 822 (2025)
相关 DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-025-55956-1
链接到相关资源的 DOI

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来自: Konstantin Herb [查看电子邮件]
[v1] 星期五, 2024 年 11 月 8 日 12:57:07 UTC (1,169 KB)
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