Role of dual nuclear baths on spin blockade leakage current bistabilities
双量子点系统中自旋阻塞的电子输运是基于自旋的量子信息领域的一个重要进展。阻断的基本机制是形成阻断三重态。漏电流的双稳性作为施加的磁场的函数，在这一制度被认为是从核奥弗豪泽场之间的自旋翻转跃迁的影响阻塞三重态和导电单重态。本文的目的是提出的细微差别，考虑两浴模型的实验观察到的电流双稳性，采用自洽模拟的核自旋动力学耦合的电子输运的DQD设置。在这样做的时候，我们首先讨论的重要的微妙之处涉及的超精细介导的自旋翻转率的微观推导。然后，我们给出的见解，两个核浴之间的差异和由此产生的差异Overhauser场影响的DQD的两个电子状态，以及它们与实验观察到的电流滞后曲线的连接。
2014-11-11 cond-mat.mes-hall
Few-second-long correlation times in a quantum dot nuclear spin bath probed by frequency-comb NMR spectroscopy
光谱学中的一个关键挑战是不均匀加宽，它掩盖了均匀的光谱线型和潜在的相干动力学。在光谱学中使用了多种技术，包括四波混频和光谱烧孔，而在核磁共振（NMR）中，自旋回波是抵消不均匀性的最常用方法。然而，自旋回波和其他序列中使用的高功率脉冲经常产生虚假的动力学，掩盖了在量子信息应用中起关键作用的微妙的自旋相关性。在这里，我们开发的NMR技术，使相关时间的波动，在一个核自旋池的个别量子点进行探测。这是通过使用频率梳激励来实现的，频率梳激励允许测量均匀的NMR线形，避免了高功率脉冲。我们发现核自旋相关时间超过1秒的自组装InGaAs量子点-四个数量级以上的无应变III-V族半导体。观察到的核自旋涨落的冻结为设计具有良好理解的、高度稳定的核自旋浴的量子点自旋量子比特开辟了道路。
2015-06-14 cond-mat.mes-hall
Wavefunction considerations for the central spin decoherence problem in a nuclear spin bath
低温下固态材料中局域电子自旋的退相干（"中心自旋“问题）被认为是由晶格中核自旋的相互作用决定的。通过施加大的磁场来分裂电子自旋的能级并防止去极化，这种去相干被部分抑制。然而，由动态核自旋浴引起的退相退相干不能以这种方式消除。核场的涨落导致电子的进动频率在一个被称为光谱扩散的过程中的不确定性。本文考虑了电子的波函数形状对光谱扩散的影响，并给出了自由感应衰减的波函数依赖的退相干时间公式，以及自旋回波和级联动力学退相干方案以增强相干性。我们还讨论了双量子点的单重态-三重态编码的量子比特的退相。这项工作的一个中心的理论结果是一个连续近似的光谱扩散问题，我们已经应用到GaAs和InAs材料具体的发展。
2008-04-11 cond-mat.mes-hall
Decoherence of coupled electron spins via nuclear spin dynamics in quantum dots
在双量子点中，两个电子自旋之间的交换相互作用重整化了核自旋池中成对翻转的激发能，这反过来又修改了非马尔可夫池动力学。由于能量重整化随量子点之间的Overhauser场失配而变化，因此由浴动力学产生的电子单重态-三重态退相干依赖于从系综中对核自旋态的采样，导致从单样本动力学中的指数退相干转变为系综平均下的幂律衰减。相反，对于不同的核自旋组态选择，一个点中单个电子自旋的退相干基本上是相同的。
2007-07-17 cond-mat.mes-hall
Purification of an unpolarized spin ensemble into entangled singlet pairs
核自旋系综的动力学极化对于磁共振研究、精密传感和量子信息理论的应用具有重要意义。在这里，我们提出了一个计划，以产生长寿命的单重态对的非极化核自旋系综是偶极耦合到金刚石中的氮空位中心的电子自旋。由NV中心的频繁自旋选择性读出引起的量子力学反作用允许核自旋配对成最大纠缠的单态对。反直觉地，对形成的鲁棒性去相位噪声提高与自旋系综的大小增加。我们还展示了如何配对的核自旋状态允许增强检测能力的NV中心的钻石。
2017-04-05 cond-mat.mes-hall cond-mat.str-el physics.chem-ph
Swapping and entangling hyperfine coupled nuclear spin baths
数值研究了零磁场中耦合量子点系统的超精细感生核自旋动力学。每个电子自旋被认为是通过均匀的耦合常数（所有耦合系数相等）与单个核自旋池相互作用。为了降低问题的维数，两个浴近似为两个单一的长自旋。我们证明了超精细相互作用使利用核浴量子信息的目的。特别是，我们表明，有可能在秒的时间尺度上交换核系综，并表明甚至有可能完全纠缠它们。一个关键的结果是，浴池越大，它们作为量子信息资源的用处就越大。有趣的是，核自旋动力学强烈受益于将两个不同几何形状的量子点组合成双点设置。
2011-10-27 cond-mat.mes-hall quant-ph
The diamond Nitrogen-Vacancy center as a probe of random fluctuations in a nuclear spin ensemble
利用金刚石中氮空位（NV）中心的独特性质的新方案目前正在探索作为高分辨率磁传感的平台。在这里，我们专注于NV中心的能力，以监测相邻的介观核自旋浴。为了这个目的，我们进行比较实验，其中NV自旋周围的13 C核的影响下，或者，替代地，在异步AC场的存在下，设计模仿浴波动的演变。我们的研究揭示了实质性的差异，强调了半经典图像的局限性时，解释和预测的结果，旨在探测小核自旋系综实验。特别是，我们的研究阐明了NV中心响应浴波动下常见的脉冲序列，并探讨了探测协议，旨在探测时间相关的核自旋浴动力学。此外，我们表明，宏观核自旋秩序的存在是关键的半经典自旋磁力学的出现。
2011-04-13 cond-mat.mes-hall
Decoherence and dynamical decoupling control of nitrogen-vacancy center electron spins in nuclear spin baths
理论研究了高纯金刚石中氮空位中心电子自旋的退相干和动力学解耦控制，其中与$^{13}$ C核自旋的超精细相互作用是主要的退相干机制.退相干被表述为电子自旋与核自旋之间的纠缠，这是由电子自旋状态的核自旋浴演化引起的。核自旋浴演化是由单自旋进动和成对触发器等基本过程驱动的。退相干中不同基元过程的重要性取决于外磁场的强度。
2011-08-11 cond-mat.mes-hall quant-ph
Entanglement generation via a completely mixed nuclear spin bath
我们发现，量子比特通过海森堡相互作用顺序耦合到一个介观静态完全混合的自旋浴可以成为高度纠缠。简单的协议产生的多体纠缠（Greenberger-Horne-Zeilinger-）状态。我们展示了通过电子与核自旋的超精细相互作用在量子点中实验实现的可行性。
2008-09-13 cond-mat.mes-hall quant-ph
Local probing of nuclear bath polarization with a single electronic spin
我们用实验证明了极化核自旋改变了邻近电子自旋的动力学行为。具体地，异相分量出现在电子自旋回波信号中。该分量与核自旋极化度成比例，并且强烈依赖于核极化方向。当电子自旋被极化的核自旋池包围时，自旋回波正交表现出仅与核自旋丰度及其集体极化相关的特征频率。我们利用这一分析，提出了一种新的测量方法的本地核自旋浴的一个单一的电子自旋。我们量化的现实的实验制度，该计划是有效的。我们的方案在量子传感方面具有潜在的应用价值，并为系统研究极化介观体系开辟了一条途径。
2015-05-22 cond-mat.mes-hall quant-ph
Electron Spin Dephasing due to Hyperfine Interactions with a Nuclear Spin Bath
研究了自旋量子比特与核自旋浴相互作用的纯退相消相干（自由感应衰减和自旋回波）。而对于无限大的磁场B，唯一的退相干机制是由于核自旋的偶极触发器引起的光谱扩散，随着B的减小，核自旋之间的超精细介导的相互作用变得重要。我们给出了一个理论的退相干由于这些相互作用，利用其远程性质。对于一个热不相关浴，我们表明，我们的理论是适用的B~10 mT，允许与最近的实验在GaAs量子点的比较。
2009-02-03 cond-mat.mes-hall quant-ph
Electron Spin Decoherence in Silicon Carbide Nuclear Spin Bath
本文研究了碳化硅（SiC）核旋浴中单个缺陷的电子自旋退相干。我们发现，虽然$^{29}\rm{Si}$（$p_{\rm{Si}}=4.7\%$）的天然丰度比$^{13}{\rm C}$（$p_{\rm{C}}=1.1\%$）大4倍左右，但强磁场下SiC核自旋浴中缺陷中心（$B>300~\rm{Gauss}$）的电子自旋相干时间比金刚石中$^{13}{\rm C}$核自旋浴中氮空位（NV）中心的电子自旋相干时间长。这一反直觉结果的原因是有限磁场中异质核自旋翻转过程的抑制。结果表明，SiC中缺陷中心的电子自旋是量子信息处理中固态自旋量子比特的理想候选者。
2014-09-16 cond-mat.mes-hall quant-ph
Enhancing the Coherence of a Spin Qubit by Operating it as a Feedback Loop That Controls its Nuclear Spin Bath
在电子自旋量子比特的许多实现中，退相干的主要来源是主体材料的波动核自旋浴。这种浴的缓慢性使其本身成为一种有希望的缓解策略，其中核自旋浴在具有抑制波动的狭窄状态下制备。在这里，这种方法是实现了一个双电子自旋量子位在GaAs双量子点和近十倍的非均匀退相时间$T_2^*$的增加被证明。在随后的测量之间，通过使用量子位作为反馈回路来准备浴，该反馈回路首先通过相干进动测量其核环境，然后根据最终状态将其极化。这个过程导致两个点之间的非零偏振梯度处的稳定固定点，这使得快速通用量子比特控制成为可能。
2010-11-27 cond-mat.mes-hall quant-ph
Nuclear frequency focusing in periodically pulsed semiconductor quantum dots described by infinite classical central spin models
半导体量子点中电子自旋的相干性由于其与周围同位素中的核自旋浴的相互作用而衰减。这种效应可以通过使系统经受外部磁场和通过施加光脉冲来减小。通过长串中的重复脉冲，自旋进动可以与脉冲周期$T_\text{R}$同步。这驱使核自旋池进入远离平衡的状态，导致核频率聚焦。在本文中，我们使用Phys. Rev. B $\textbf{96}$，054415（2017）中介绍的有效经典方法来描述和分析这种核聚焦。其依赖于有效浴的大小和外部磁场阐明在一个全面的研究。我们发现，脉冲的特性以及核塞曼效应的影响的行为决定性的。
2018-07-17 cond-mat.mes-hall
Uncovering many-body correlations in nanoscale nuclear spin baths by central spin decoherence
多体相关性可以对相互作用系统的性质产生关键的见解;然而，在多粒子物理学中，特别是在纳米尺度系统中，检测它们通常非常具有挑战性。在这里，以磷施主电子自旋在自然丰度29 Si核自旋浴作为我们的模型系统，我们发现在纳米级核自旋浴的多体关联产生可识别的签名在多脉冲动力学解耦控制下的中心自旋的退相干理论和实验。我们发现，当退耦脉冲数为奇数时，中心自旋退相干主要由二阶核自旋关联（成对触发过程）驱动。相反，当脉冲数为偶数时，四阶核自旋关联（对角相互作用重整化成对触发过程）主要负责中心自旋退相干。不同数量级的多体关联可以通过不同动力学解耦控制下的中心自旋退相干来选择性地检测，为探测纳米级核自旋浴中的多体过程提供了一种有用的方法。
2014-04-10 cond-mat.mes-hall quant-ph
Decoherence of two entangled spin qubits coupled to an interacting sparse nuclear spin bath: application to nitrogen vacancy centers
我们考虑电子自旋量子比特与稀疏核自旋相互作用的贝尔态的纯退相。利用新发展的两量子比特推广的团簇关联展开方法，计算了不同量子比特间距下$|Ψ\rangle$和$|Φ\rangle$态的自旋回波衰减.将结果与其中每个量子比特的失相被独立处理的计算进行比较，我们确定了浴的公共部分对两个量子比特的影响的签名。在大的量子位间距下，这个公共部分由许多弱耦合到两个量子位的原子核组成，因此由它引起的退相干可以通过考虑多个不相关的噪声源（原子核簇）来建模，每个噪声源都对量子位产生微弱的影响。因此，所产生的真正的两个量子比特对退相干的贡献可以被描述为由经典高斯噪声引起的。另一方面，对于小的量子位间距，环境的公共部分包含与两个量子位强耦合的自旋簇，并且它们对两个量子位退相的贡献具有明显的非高斯特性。通过比较$|Ψ\rangle$和$|Φ\rangle$ Bell态的退相，我们可以很容易地得到环境噪声对量子比特影响的非高斯性信息.数值计算了两个氮空位中心与自然浓度的$^{13}$ C原子核相互作用的结果，得到了对于相距约3 nm的中心，环境噪声相关部分的高斯描述开始成立.
2018-06-27 cond-mat.mes-hall
Observation of zero-point quantum fluctuations of a single-molecule magnet through the relaxation of its nuclear spin bath
将单分子磁体置于垂直于其各向异性轴的磁场中，可以截断为一个有效的二能级系统，其能量分裂很容易调节。分子自旋的量子相干性很大程度上取决于周围核自旋池的动力学。本文报道了在$T \approx 30$ mK下，在高达9 T的垂直磁场$B_{\perp}$中，测量了单分子磁体Mn $_{12}$-ac单晶的核自旋-晶格弛豫。虽然分子自旋是在其基态，我们观察到的核弛豫率增加了几个数量级的最高$B_{\perp}$。这一独特的发现是Mn $_{12}$ -ac自旋的零点量子波动的结果，这使得它能够有效地将能量从激发的核自旋浴转移到晶格。我们的实验突出了量子涨落在“有效两能级系统”与其周围的自旋池之间的相互作用中的重要性。
2013-11-06 cond-mat.mes-hall quant-ph
Qubit coherence control in a nuclear spin bath
半导体中局域自旋的相干动力学受到晶格核自旋偶极涨落引起的光谱扩散的限制。在这里，我们将核自旋I=1/2的光谱扩散的半经典理论扩展到与III-V族材料相关的高核自旋，并表明以与核自旋量子数平方（I^2）近似成比例的速率施加连续的量子比特π旋转提供了一种有效的相干增强方法。因此，在III-V族化合物所特有的大自旋环境中，如果π脉冲可以以I^{-2}的间隔产生，那么在不诉诸核自旋极化的情况下，鲁棒的相干操纵是可能的。
2005-07-18 cond-mat.mes-hall cond-mat.stat-mech
The classical nature of nuclear spin noise near clock transitions of Bi donors in silicon
量子浴能否近似为经典噪声是中心自旋退相干的一个基本问题，也是设计抗噪声量子控制的一个重要实际问题。基于硅中铋施主的自旋量子比特与核自旋浴具有可调的相互作用，并且在所谓的时钟跃迁（CT）处对磁噪声一阶不敏感。因此，该系统是研究核自旋浴的量子/经典性质的理想选择，因为量子位-浴相互作用强度决定了浴上的反作用，从而决定了经典噪声模型的适当性。我们建立了一个高斯噪声模型，噪声关联由量子计算确定，并比较了经典噪声近似的全量子浴理论。我们通过多达128个脉冲的动态去耦序列实验测试我们的模型，发现与模拟和测量电子自旋相干时间接近一秒的良好一致性-特别是使用天然硅。我们的理论和实验研究表明，从核自旋浴的噪声是类似于经典的高斯噪声，如果量子比特的反作用的浴是小的内部浴动力学相比，是接近CT的情况下。然而，远离CT，中心自旋对浴的反作用是这样的，需要量子模型来精确地模拟自旋退相干。
2015-05-07 cond-mat.mes-hall quant-ph
Control of electron spin decoherence caused by electron-nuclear spin dynamics in a quantum dot
通过求解耦合量子动力学方程，研究了InAs量子点中多个相互作用核自旋的介观浴对电子自旋退相干的控制。由于核自旋浴的分叉演化是基于电子自旋的上升或下降状态，因此它测量了电子自旋的哪个状态信息，从而降低了它的相干性。用对关联近似求解了核自旋池的多体动力学。在相应的时间尺度上，核的成对触发器，作为介观浴中的元激发，可以映射到非相互作用的赝自旋的进动。这种映射为理解退相干和设计控制方案提供了几何图像。仔细检查核浴动力学揭示了丰富的现象和控制电子自旋退相干的新的可能性。例如，当电子自旋在$τ$处被$π$ -脉冲翻转时，其相干性将在$\sqrt{2}τ$处部分恢复，这是从介观浴中量子解纠缠的结果。与常规自旋回波对非均匀展宽相位的重新聚焦不同，通过控制量子对象，通过引导浴态的量子演化来实现解纠缠。一个级联的脉冲序列的建设可以消除退相干与任意精度，与核-核自旋相互作用强度作为控制小参数。
2007-03-27 cond-mat.mes-hall quant-ph
Dynamic nuclear spin polarization in the fractional quantum Hall effect spin transitions
Purdue University（普渡大学）
研究分数量子霍尔效应中动态核极化对自旋转变的影响，揭示核自旋极化与电流方向的不对称性及超精细相互作用的作用。
2026-02-02 cond-mat.mes-hall cond-mat.str-el
Intrinsic spin fluctuations reveal the dynamical response function of holes coupled to nuclear spin baths in (In,Ga)As quantum dots
单个“中心”自旋如何与核自旋浴相互作用的问题对于理解许多量子系统中的退相干和弛豫至关重要，但由于涉及多体耦合，因此非常重要。不同的模型会产生不同的时间尺度和动态响应（指数，幂律，高斯等）。在这里，我们检测的小随机波动的中心自旋在热平衡（空穴在单电荷的（In，Ga）As量子点），以揭示的时间尺度和功能形式的浴诱导自旋弛豫。该自旋噪声表示在零磁场下的长（400 ns）自旋相关时间，其增加到$\sim$ 5 $μ$ s，因为用小（100 G）施加场抑制空穴-核耦合。同时，噪声线形从洛伦兹演化到幂律，表明从指数到逆对数动力学的交叉。
2012-01-31 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
Spin echo decay at low magnetic fields in a nuclear spin bath
我们从理论上研究了局域在量子点中的电子与核自旋池相互作用的自旋回波信号。我们考虑非常低的磁场的制度（对应于现实的GaAs和InGaAs点低至毫特斯拉的领域）。我们使用精确的数值模拟和分析理论，采用有效的纯退相哈密顿。比较表明，后一种方法非常好地描述了自旋回波衰减的磁场大于典型的Overhauser场，而这个理论的工作时间尺度大于以前的预期。数值模拟也做了非常低的值的电子自旋分裂的有效的哈密顿理论定量失败。有趣的是，先前使用有效哈密顿方法预测的同质和异质浴（即含有具有不同塞曼能量的核同位素的浴）的情况之间的自旋回波衰减的定性差异在分析理论的适用范围之外的非常低的场处仍然可见。我们已经发现，自旋回波信号的homocycle浴振荡的频率对应的塞曼分裂的单个核同位素存在于浴。这个特征背后的物理学与电子自旋回波包络调制（ESEEM）类似。虽然在我们的系统中存在纯各向同性的超精细相互作用，但在低场下电子进动轴的倾斜可以解释这一结果。
2010-07-23 cond-mat.mes-hall quant-ph
Quantum-Bath Decoherence of Hybrid Electron-Nuclear Spin Qubits
实现可扩展固态量子计算面临的一个主要问题是克服退相干--当量子比特与其环境相互作用时，编码在量子比特中的相位信息丢失的过程。由于大量的环境自由度，准确计算退相干时间$T_2$是具有挑战性的，特别是当量子位和环境高度相关时。杂化或混合的电子-核自旋量子比特，例如硅中的施主，具有“最佳工作点”（OWP），其是用于降低磁场中的退相干的最佳点。以前对OWP附近$T_2$急剧变化的分析是基于对经典噪声的不敏感性，即使混合量子位位于高度相关的量子环境中，例如$^{29}$ Si杂质的核自旋浴。这使得对退相干机制的理解有限，并且对$T_2$给出了不可靠的预测。我提出了量子多体计算的量子位浴动力学，其中（一）产量$T_2$的混合量子位在多个制度的实验非常一致，（二）阐明核自旋浴的多体性质和（三）暴露量子浴和经典场退相干之间的显着差异。为了实现这些，集群的相关性扩展进行了调整，包括电子-核状态混合。此外，对铋施主作为混合量子比特的核自旋池进行了实验分析，推导出了$T_2$的简单解析公式，预测结果与实验一致，并将建立的动力学解耦方法与近OWP操作相结合，以最大化$T_2$。最后，研究了$^{29}$ Si自旋在接近混合量子比特处的退相干，以确定其用作量子寄存器的可行性。
2015-10-30 cond-mat.mes-hall quant-ph
Free-induction decay and envelope modulations in a narrowed nuclear spin bath
我们评估的自由感应衰减的横向分量的本地化电子自旋耦合到一个浴的核自旋通过费米接触超精细相互作用。我们的微扰处理是有效的特殊（窄）浴初始条件和当塞曼能量的电子$b$超过总超精细耦合常数$A$：$b>A$。使用一个统一的和系统的方法，我们恢复以前的结果报告在短期和长期使用不同的技术。我们发现了一个新的和意想不到的调制的自由感应衰变信封，这是目前即使是一个纯粹的各向同性超精细相互作用没有自旋回波和一个单一的核物种。我们给子领导的退相干率的修正，并表明，在一般情况下，退相干率有一个非单调依赖于电子塞曼分裂，导致一个明显的最大值。这些结果说明了方法的局限性，利用领导阶有效的哈密顿量和重指数的短时间扩展的强相互作用系统与非马尔可夫（历史依赖）的动态。
2009-11-21 cond-mat.mes-hall quant-ph
Controlling a mesoscopic spin environment by quantum bit manipulation
我们提出了一个统一的描述冷却和操纵的介观浴核自旋通过耦合到一个单一的量子系统的电子自旋（量子比特）。我们表明，浴冷却的量子位迅速饱和。虽然所产生的自旋浴饱和态（“暗态”）通常具有较低的偏振度和纯度，但它们的对称性使它们成为量子比特相干操纵的宝贵资源。具体来说，我们证明了核系综的暗态可以用于相干控制系统浴相互作用，并提供一个强大的，长寿命的量子存储器的量子比特状态。
2003-08-22 cond-mat.mes-hall
Controllable freezing of the nuclear spin bath in a single-atom spin qubit
半导体中电子自旋量子比特的量子相干性和门保真度通常受到与核自旋浴耦合产生的噪声的限制。自旋零核如$^{28}$ Si的同位素富集已经导致退相时间$T_2^*$的惊人改善，令人惊讶的是，其可以超出理论预期的两个数量级。使用一个单原子$^{31}$ P量子比特在丰富的$^{28}$ Si，我们表明，异常长的$T_2^*$是由于可控冻结的剩余$^{29}$ Si核靠近施主的动力学。我们的结论得到了支持的$^{29}$ Si核自旋动力学，这揭示了电子自旋提供的反作用的程度，因为它与核浴相互作用的几乎无参数的建模。这项研究澄清了遍历假设在分析强，频繁测量条件下的多体自旋问题的局限性，并提供了新的策略，最大限度地提高半导体自旋量子位的相干性和门保真度。
2019-07-25 cond-mat.mes-hall quant-ph
Relaxation of Shallow Donor Electron Spin due to Interaction with Nuclear Spin Bath
我们研究了浅施主的低温动力学，例如，$^{31}$ P，硅中的杂质电子自旋，与$^{29}$ Si同位素的核自旋池相互作用。对于小的外加磁场，电子自旋弛豫由核自旋的稳态分布控制。我们计算了弛豫时间$T_1$和$T_2$随外磁场的变化，并得出在低磁场下，核自旋在Si：P中施主电子自旋退相干中起重要作用的结论.
2002-03-18 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci cond-mat.stat-mech
Electrically-Driven Reverse Overhauser Pumping of Nuclear Spins in Quantum Dots
我们提出了一种新的机制极化核自旋量子点，基于周期性调制的超精细耦合的电子自旋共振频率的电驱动。动态核极化的结果从共振激发，而不是超精细弛豫介导的热浴，因此是不受奥弗豪泽一样的细致平衡约束。这使得偏振方向与奥佛豪泽效应所预期的方向相反。电驱动和浴辅助机制的竞争可以在小于点中的电子限制半径的尺度上引起空间调制和极化的符号反转。讨论了GaAs量子点中观察到的反向欧沃豪泽极化的关系。
2007-10-04 cond-mat.mes-hall
Hyperfine interaction induced decoherence of electron spins in quantum dots
我们详细调查，使用分析和数值工具，在量子点（QD）耦合到一个浴的核自旋在磁场或不同的初始浴极化的电子自旋的退相干，专注于纵向弛豫在低和中等的字段/极化制度。核自旋池初始极化的增加对退相干过程的影响与外加磁场的增加相同，即退相干动力学从平稳衰减变为阻尼振荡。对于单QD和双QD设置，可以通过实验观察到这种变化。我们的研究结果表明，退相干时间的大幅增加需要非常大的浴极化，和使用其他方法（动态解耦或控制的核自旋分布）可能是更实际的抑制量子点为基础的量子比特的退相干。
2006-11-15 cond-mat.mes-hall
Universal phase shift and non-exponential decay of driven single-spin oscillations
我们研究，从理论和实验上，驱动拉比振荡的单电子自旋耦合到一个核自旋浴。由于浴的相关时间长，在振荡中观察到两个不寻常的特征。衰减遵循幂律，振荡的相移为~ π/4。这些属性是很好地理解从理论表达式，我们在这里推导出的静态限制的核浴。这种对耦合电子-核系统的更好理解对于未来使用电子自旋作为量子比特的实验非常重要。
2007-11-03 cond-mat.mes-hall
Dynamical decoupling design for identifying weakly coupled nuclear spins in a bath
识别单电子自旋周围的弱耦合核自旋是利用耦合电子-核自旋系统实现量子信息处理或利用金刚石缺陷自旋进行单自旋核磁共振探测等传感的关键步骤。利用周期性脉冲序列对中心电子自旋的动态解耦控制[例如，Carre-Purcell-Meiboom-Gill（CPMG）序列]已成功地用于识别单个核自旋和解析核自旋团簇的结构。在这里，我们设计了一种新型的脉冲序列，通过用一组非均匀间隔的$π$ -脉冲替换CPMG序列的重复单元（单个$π$-脉冲）。利用金刚石中的氮空位中心系统，我们表明，设计的脉冲序列提高了核自旋噪声谱的分辨率，并提取了更多的关于周围核自旋的信息。本文提出的动态解耦设计原理在许多系统中是有用的（例如，固体中的缺陷自旋量子位、俘获离子和超导量子位）用于高分辨率噪声光谱。
2014-02-11 cond-mat.mes-hall quant-ph
Protection of center-spin coherence by dynamically polarizing nuclear spin core in diamond
实验研究了动态核极化对金刚石中氮空位中心电子自旋相干性的保护作用。NV中心的电子自旋退相干是由$^{13}$ C核自旋浴的磁场涨落引起的，当处于室温下的平衡态时，磁场涨落对NV中心的电子自旋有很大的热涨落。为了解决这个问题，我们不断地将角动量从电子自旋转移到核自旋，并在Hartman-Hahn条件下将核自旋池抽到极化态。通过观察电子自旋相干时间（$T_2^*$）的延长来验证镀液极化效应。研究了动态核极化（DNP）过程的最佳条件，包括泵浦脉冲宽度和激光脉冲的退偏效应。我们的实验结果为在固态系统中利用极化核自旋浴进行量子信息处理和量子模拟提供了有力的支持。
2013-05-28 cond-mat.mes-hall quant-ph
Dynamics and thermalization of the nuclear spin bath in the single-molecule magnet Mn12-ac: test for the theory of spin tunneling
在局域自旋池中描述宏观变量的隧穿是一个非常基本和实用的主题，并且与许多固态量子位设计相关。而不是专注于“中心自旋”（如最常做的），在这里，我们提出了一个详细的研究在Mn 12-ac单分子磁体的核自旋浴的动力学，探测NMR实验到非常低的温度（T = 20 mK）。我们发现，在Mn 12-ac的55 Mn核的纵向弛豫速率变得大致T-独立低于T = 0.8 K，并可以强烈抑制与纵向磁场。这与分子自旋的量子隧穿引起的核弛豫一致，并且我们将隧穿波动归因于样品中存在的少数快速弛豫分子。在T < 0.8 K时，横向核弛豫也与T无关，可以用相邻分子中相似核间的偶极耦合定性和定量地解释。我们还表明，同位素取代的1H由2 H导致一个较慢的核纵向弛豫，符合降低隧道概率的分子自旋。最后，我们证明，即使在最低的温度下，核自旋保持在热平衡与晶格声子，我们调查的时间尺度为他们的热平衡。在回顾了自旋浴中宏观自旋隧穿理论之后，我们认为我们的大多数实验结果与该理论是一致的，但核自旋的热化不是。
2007-12-05 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
Harnessing the GaAs quantum dot nuclear spin bath for quantum control
我们从理论上证明了利用核自旋可以相干控制双量子点中的双电子自旋态。超精细相互作用导致自旋单重态和ms = +1三重态T_+之间避免交叉。我们表明，单重态和三重态的相干叠加，可以实现使用有限时间朗道-齐纳-Stückelberg干涉。在这个系统中，相干旋转速率由塞曼能量设定，导致~1纳秒的单自旋旋转。通过考虑与核自旋池的耦合，我们分析了该自旋量子比特的相干性，结果表明T_2^* ~ 16 ns，与实验数据符合得很好。我们的分析进一步表明，有效的单量子比特和两个量子比特的控制可以实现使用朗道-齐纳-Stückelberg干涉。
2011-12-20 cond-mat.mes-hall cond-mat.other quant-ph
Thermalization of nuclear spins in lanthanide molecular magnets
单分子磁体通过将基础研究与有前途的应用相结合的能力在量子磁学领域脱颖而出，量子自旋电子学在过去十年的发展例证了基于分子的量子器件所具有的潜力。值得注意的是，嵌入的核自旋态的读出和操纵被用于单分子水平的量子计算的原理研究的证明。本文利用TbPc $_2$分子的非绝热动力学理论，研究了稀释分子晶体中$^{159}$ Tb核自旋的弛豫动力学.我们发现声子调制的超精细相互作用在核自旋和声子池之间打开了一个直接的弛豫通道。我们强调了所发现的机制的自旋浴理论和弛豫动力学的分子自旋在交叉温度的潜在重要性。
2021-10-01 cond-mat.mes-hall
Quantum many-body theory for electron spin decoherence in nanoscale nuclear spin baths
纳米尺度系统中电子自旋的退相干对于量子信息处理和磁测量等量子技术具有重要意义。它也是研究量子与经典现象交叉的理想模型问题。在低温或自旋轨道耦合较弱的轻元素材料中，纳米结构中的声子散射不那么重要，核自旋的波动成为电子自旋的主要退相干机制。自20世纪50年代以来，人们发展了半经典噪声理论来理解电子自旋退相干。在基于自旋的固态量子技术中，相关系统处于纳米尺度，并且核自旋浴是需要量子描述的量子对象。近年来，人们建立了量子图像来理解退相干现象，并发展了量子多体理论来定量描述这一现象。反常的量子效应已经被预言，有些已经被实验证实。发展了一个系统的截断的团簇关联展开理论，用以解释纳米级核自旋池中电子自旋退相干过程中产生的多体关联。该理论已经成功地预测和解释了许多物理系统中的实验结果。在这篇综述中，我们将涵盖这些最新进展。本文也将讨论目前量子多体理论的局限性和未来发展的可能方向。
2017-03-03 cond-mat.mes-hall quant-ph
Nuclear Spins as Quantum Memory in Semiconductor Nanostructures
我们从理论上考虑在半导体纳米结构环境中的固态核自旋作为长寿命，高保真度的量子存储器。特别地，我们计算了在强外加磁场的限制下，在Si和GaAs的随机浴环境中P施主核自旋的保真度随时间的变化，以及在极化Si和GaAs环境中激发的本征自旋的寿命。在前一种情况下，由于熔池中核之间的偶极相互作用引起的光谱扩散，核自旋发生退相。我们计算的Hahn和Carr-Purcell-Meiboom-Gill（CPMG）的背景下，使用正式的精确的集群扩展技术，以前已经成功地处理在固态核自旋浴中的电子自旋退相的重聚焦自旋回波的核自旋量子存储器的衰减。由于退相干由横向退相（T2）主导，我们发现使用仅施加几个（~2-4）脉冲的CPMG脉冲序列，在100微秒（GaAs：P）和1至2毫秒（天然Si：P）的量级上保持核自旋的高保真度（损失小于10^{-6}）量子存储是可行的。我们还考虑了一个中心翻转的内禀核自旋在一个浴完全极化的核自旋退相干是由直接翻转的中心自旋与自旋在浴缸中的互补情况。精确的数值计算，包括一个足够大的邻域周围的核显示寿命的顺序为1-5毫秒的GaAs和天然硅。我们计算的核自旋相干时间可能具有重要意义的固态量子计算机架构，使用本地化的电子自旋在半导体核自旋已被提出用于量子存储器存储。
2007-08-01 cond-mat.mes-hall quant-ph
Driven dynamics of a quantum dot electron spin coupled to bath of higher-spin nuclei
本研究突破核自旋1/2近似，提出耦合任意自旋核浴的自组装量子点光驱动电子自旋的理论框架，发现超精细相互作用驱动动态核极化与锁模，四极耦合抵消该效应，为测量量子点四极相互作用提供途径。
2020-12-17 cond-mat.mes-hall quant-ph
Nuclear spin pair coherence in diamond for atomic scale magnetometry
氮空位（NV）中心作为量子信息处理的候选固态系统，其电子自旋相干性受到局域环境引起的磁场涨落的影响。在纯钻石中，环境由数百个C-13核自旋组成，这些自旋在几纳米范围内随机分布，形成一个自旋浴。在自旋浴的影响下控制和延长电子自旋相干性是量子信息处理的挑战性任务。另一方面，对于一个给定的浴分布，它的许多字符编码在电子自旋相干。因此，很自然地提出这样的问题：是否有可能“解码”电子自旋相干性，并提取有关浴结构的信息？在这里，我们表明，在数百个C-13浴自旋，存在强耦合集团，这引起的电子自旋相干的毫秒振荡。通过分析这些振荡特征，可以唯一地确定相干核自旋团簇的位置、取向和耦合强度等关键性质。这种少核自旋团簇的可寻址性扩展了在量子计算中使用金刚石中的核自旋作为量子比特的可行性。此外，它提供了一个新的原型单电子自旋为基础的，高分辨率和超灵敏的检测器的化学和生物应用。
2010-03-23 cond-mat.mes-hall quant-ph
Long coherence of electron spins coupled to a nuclear spin bath
量子比特，即量子计算所需的量子力学比特，必须在很长一段时间内保持其脆弱的量子态。在许多类型的电子自旋量子位中，退相干的主要来源是电子自旋与宿主晶格的核自旋之间的相互作用。对于栅极限定的GaAs量子点中的电子，先前的自旋回波测量已经揭示了在低于100 mT的低磁场下约1 $μ$ s的相干时间。在这里，我们表明，在这样的设备的相干性实际上可以生存更长的时间，并提供了一个详细的了解所测量的核自旋诱导退相干。在几百毫特斯拉以上的磁场中，使用单脉冲自旋回波测量的相干时间扩展到30 $μ$ s。在较低的磁场下，回波首先崩溃，但随后在不同核素的相对拉莫尔进动的周期所给定的稍后时间恢复。这种行为是最近预测的，正如我们所示，可以定量地占一个半经典模型的电子自旋动力学的存在下，一个核自旋浴。使用多脉冲Carr-Purcell-Meiboom-Gill回波序列，去相干时间可以扩展到超过200 $μ$ s，这表示与先前的测量相比提高了两个数量级。这种有效的方法来减轻核自旋诱导退相干的演示，使量子纠错阈值触手可及。
2010-05-17 cond-mat.mes-hall quant-ph
Experimental Saturation of the Heat-Bath Algorithmic Cooling bound
热浴制冷（HBAC）技术提供了选择性地增强目标量子子系统的偏振的方法。然而，这些技术中的冷却是有限的。在这里，我们报告的HBAC冷却边界的第一个实验观察。我们使用HBAC来超分辨金刚石中的核自旋。使用两个碳核自旋作为极化源（复位）和14 N核自旋作为计算位，我们证明，重复一个单一的冷却步骤增加了超过初始复位极化的极化，并达到HBAC的冷却极限。我们基准的性能，我们的实验在一个范围内的可变复位极化。由于能够将重置自旋转换为不同的初始极化，我们设想所提出的模型可以作为量子热力学研究的测试平台。
2018-12-15 cond-mat.mes-hall quant-ph
Measurement of back-action from electron spins in a gate defined GaAs double quantum dot coupled to a mesoscopic nuclear spin bath
量子系统与环境相互作用产生的退相干是理解量子和经典世界之间的过渡以及量子技术应用中的性能限制的关键概念。大型弱耦合环境的效应通常被描述为经典的波动场，其动力学不受量子比特的影响，而完全量子描述仍然意味着量子比特对环境的一些反作用。在这里，我们显示了直接的实验证据，这种反作用的电子自旋量子位在GaAs量子点耦合到介观环境的顺序$10^6$核自旋。通过相关测量技术，我们检测到一个单一的量子位的环境相互作用，其持续时间是可比的量子位的相干时间，即使在这样一个大的系统的反作用。我们反复让量子位与自旋浴相互作用并测量其状态。在这样的周期之间，量子比特被重新初始化为不同的状态。测量结果的相关性受到中间量子比特态的强烈影响，这揭示了单个电子自旋对核自旋的作用。
2020-07-26 cond-mat.mes-hall quant-ph
Exponential decay in a spin bath
我们表明，在强磁场的存在下，电子自旋与核自旋浴相互作用的相干性可以表现出一个定义明确的纯指数衰减的特殊（“混沌”）浴初始条件。这是在对比的典型情况下，其中自旋浴动力学已被调查的非马尔可夫极限，给出超指数或幂律衰减的关联函数。我们明确地计算了自由感应衰变的退相干时间T_2，并找到了一个简单的表达式，它依赖于浴极化，磁场，电子波函数的形状，维数，总核自旋I，和同位素浓度的实验相关的异质自旋系统。
2008-02-12 cond-mat.mes-hall quant-ph
Highly selective detection of individual nuclear spins using the rotary echo on an electron spin as a probe
我们考虑电子自旋，如金刚石中的氮空位（NV）中心，弱耦合到大量（浴）的核自旋，并受到周期性交替相位（多旋转回波）的拉比驱动。我们表明，通过切换驱动相位同步与一个给定的核自旋的进动，这个自旋的相互作用被选择性地增强，而其余的浴保持去耦。这种增强具有共振特性。该方案的主要特点是共振宽度可调，并可通过增加驱动强度来大大减小。因此，与现有的检测方法相比，谐振可以显著地变窄10- 100倍。选择性的显着改善解释解析和证实直接数值多自旋模拟。该方法可以应用于广泛的固态系统。
2015-03-23 cond-mat.mes-hall
Polarization transfer from optically-pumped NV center ensembles to multinuclear spin baths
NV-金刚石在纳米级传感和自旋操纵方面引起了人们的浓厚兴趣。特别地，在单个NV中心的光激发之后的非平衡电子自旋极化已经成功地转移到缺陷周围的核自旋浴中。然而，这些实验需要扩展到NV-合奏有前途的实际应用中的超极化的大体积样品体积的NMR信号增强。在这里，我们使用一个密集的，浅的NV-中心合奏证明在一个定义良好的复合金刚石样品系统的核自旋的极化转移。这使我们能够解决三种不同类型的核自旋在不同的位置相对于NV极化源：从接近$^{13}$ C内的金刚石晶格的自组装分子系统组成的$^{1}$ H和$^{19}$ F自旋外的金刚石和多个接口。我们发现，合奏NV实验面临的问题不同于单一NV实验。特别地，使用自旋锁脉冲，NV系综的非均匀加宽的ESR线限制了可以发生转移协议的最小共振线宽。此外，我们比较了不同的核浴的NV自旋极化损失和极化转移率，并讨论了自旋扩散的作用，作为间接影响核极化建立在纳米NV-NMR实验的检测体积内的直接观察。
2021-11-23 cond-mat.mes-hall physics.chem-ph
Pure quantum dephasing of a solid state electron spin qubit in a large nuclear spin bath coupled by long-range hyperfine-mediated interactions
我们研究了定域自旋量子比特与核自旋池相互作用时的退相干。虽然在一个非常大的磁场的限制下，唯一的退相干机制是由于核自旋的偶极触发器的光谱扩散，随着减少的领域的超精细介导的核自旋之间的相互作用变得重要。我们利用它们的长程性质，并在退相干时间演化函数的1/N展开中恢复主导项（N是与电子自旋明显相互作用的核自旋的数量，很大）。对于热不相关浴的情况下，我们表明，我们的理论是适用于低磁场（~10 mT的一个大点，N=10^6）允许与最近的实验在GaAs量子点自旋量子位进行比较。在这种方法中，我们计算的自由感应衰减和自旋回波退相干在GaAs和InGaAs作为在浴（即量子点的大小）和磁场的核的数量的函数。我们的理论在一个狭窄的核浴中的自由感应衰减是同意由于超精细介导的相互作用，可以得到当所有的核-电子耦合常数是相同的消相干的精确解。对于自旋回波的演变，我们表明，在低场的主导退相干过程是由于具有显着不同的塞曼能量（即原子核的砷和两个同位素的镓在GaAs）之间的相互作用，我们比较我们的结果与最近测量的自旋回波信号限制在GaAs量子点。对于同一组参数，我们进行各种动态去耦脉冲序列下的退相干计算，并预测这些序列在低B制度在GaAs中的效果。
2009-05-29 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci quant-ph
Effects of nuclear spins on the coherent evolution of a phase qubit
研究了核自旋在固态相位量子比特退相干和退相中的作用。在非马尔可夫Langevin-Bloch方程的基础上，考虑了自旋极化随时间的涨落和自旋环境的影响。我们发现的条件时，一个相位量子位耦合到一个浴的核自旋不损害相干演化的量子位。
2001-09-10 cond-mat.mes-hall
Detecting spin bath polarization with quantum quench phase shifts of single spins in diamond
单量子位传感协议可以用于测量量子位浴耦合参数。然而，对于足够大的耦合，感测协议本身扰动浴，这被预测为导致感测测量中的特征响应。在这里，我们观察到这种浴扰动，也被称为量子淬火，通过准备核自旋浴的氮空位（NV）中心在极化的初始状态，并进行相位分辨自旋回波测量的NV电子自旋。这些测量揭示了由浴的初始状态确定的时间依赖性阶段。我们推导了传感器相位与高斯旋转浴偏振之间的关系，并将其应用于重建轴向和横向偏振分量。利用这一见解，我们优化了我们的动态核极化序列的转移效率。这种直接测量浴极化的技术可能有助于制备高保真量子存储状态，改进纳米级NMR方法，并研究非高斯量子浴。
2023-03-03 cond-mat.mes-hall quant-ph
Distinguishing Quantum and Classical Baths via Correlation Measurements
对宏观系统中量子力学效应的研究对于阐明向经典世界的过渡在何处以及如何出现的问题具有极大的意义。确定浴槽使量子位失相是否可以经典地描述或需要量子力学处理也具有实际意义。我们提出了一个测量方案，通过相关测量来检测量子反作用，以回答这个问题的浴耦合到一个单一的量子比特。反作用的存在导致后续初始化-演化-读出周期的相关性依赖于其间如何操纵量子位。我们计算的自相关函数的一个指导性的自旋模型和现实的情况下，电子自旋耦合到一个浴的$10^6$核自旋，发现在门控GaAs量子点，并显示，从量子位到核自旋浴的反作用应该是可检测的，即使在这样一个大的系统。
2014-02-02 cond-mat.mes-hall quant-ph
Free induction decay of single spins in diamond
从理论和实验两方面研究了高纯金刚石中单个氮空位缺陷引起的电子自旋自由感应衰减（FID），其中退相干的主要来源是与$^{13}$ C核自旋的超精细相互作用.特别是，我们报告了一个系统的研究FID信号作为一个功能的磁场沿对称轴的缺陷取向的强度。平均而言，增加的相干时间的$\sqrt{5/2}$的一个因素，观察到在高磁场中的金刚石样品与天然丰度的$^{13}$ C核自旋，在协议的数值模拟和理论研究。进一步的理论分析表明，这种增强与核自旋杂质的浓度无关。通过将核自旋池划分为壳和锥，我们从理论上确定了哪些核自旋是所观察到的动力学的原因。
2012-10-31 cond-mat.mes-hall
Simultaneous Measurement of Resistively and Optically Detected Nuclear Magnetic Resonance in the $ν=2/3$ Fractional Quantum Hall Regime
我们观察到的核磁共振（NMR）的分数量子霍尔制度在朗道能级填充因子$ν=2/3$的纵向电阻和光致发光（PL）的同时测量。在$ν=2/3$的自旋相变点处施加一个巨大的电子流，可以诱导出动态的核自旋极化。从电阻和PL强度的变化获得的NMR光谱定性相同，即，骑士移位（自旋极化区）和零位移（自旋非极化区）的共振都观察到。观察到的PL强度的变化被解释为极化核自旋引起的trion散射的结果。我们的结论是，这两种检测方法探测几乎相同的本地现象。
2016-07-14 cond-mat.mes-hall
Truncated Wigner approximation for the bosonic model of large spin baths
中心自旋模型具有广泛的适用性，它理想地适合于描述与自旋浴接触的小量子系统，例如量子比特，例如，核自旋，或者其他的小量子系统。根据以前的工作~[Röhrig \textit{et al.}，Phys. Rev. B { \bf 97}，165431（2018）]，量子自旋的大浴可以描述为量子谐振子的浴。但由此产生的量子模型仍然远远不能简单地解决。因此，我们考虑一个链表示的玻色子自由度研究如何截断维格纳近似的有效模型的谐振子工程相比，与其他近似和精确的方法。在数值上，我们研究了浴旋转的数量和截断水平的影响，即，链条长度
2023-01-16 cond-mat.mes-hall
Dynamics of entanglement of two electron spins interacting with nuclear spin baths in quantum dots
研究了两个量子点中两个电子自旋的纠缠动力学，其中每个电子都与其核自旋环境相互作用。针对非耦合量子点的情形，从两个量子比特的Bell态或Werner态出发，计算了由于与原子核的超精细相互作用而引起的纠缠衰减。我们主要关注磁场的制度，其中浴诱导的电子自旋翻转发挥作用，例如，它们的存在导致纠缠突然死亡在有限时间的外观初始化在贝尔状态的两个量子比特。对于这些领域的浴内偶极相互作用和空间不均匀性的超精细耦合的相干性（和纠缠）衰减的时间尺度上是无关紧要的，大多数的计算是使用均匀耦合近似精确的超精细哈密顿。我们提供了一个全面的概述在这个制度的纠缠衰减，考虑到量子位的自由演化，和回声协议，同时应用$π$脉冲的两个自旋。所有目前相关的实验浴状态被认为是：热状态，缩小状态（其特征在于减少不确定性的组件之一的Overhauser字段）的两个不相关的浴，和相关的缩小状态与一个明确定义的值的$z$组件的Overhauser字段interdot梯度。虽然我们主要使用的纠缠来量化的纠缠量在一个混合状态的两个电子自旋，我们也表明，他们的纠缠动力学可以重建从测量目前相关的实验纠缠证人，和保真度的量子隐形传态使用部分解纠缠状态作为资源。
2015-05-07 cond-mat.mes-hall quant-ph
