Probing solid-state electron spin-phonon interaction at the quantum limit

Abstract

Longitudinale Relaxation, der Zerfall eines Quantenzustandes durch die Wechselwirkung mit seiner Umgebung limitiert die Lebensdauer des Zustandes. Charakterisiert wird dieser Zerfall durch die longitudinale Relaxationszeit T1. Diese Messgröße ist charakteristisch für verschiedene Quantensysteme und beschreibt auch deren maximal erreichbare Kohärenzzeit (T2 <= 2 T1). Ein vielversprechendes physikalisches System zur Realisierung von Quantentechnologien, wie Quantenkommunikation, Quanteninformationsverarbeitung und Quantenmetrologie ist das negativ geladene Stickstoff-Fehlstellen Zentrum (NV -) im Diamanten. Bisher wurde die longitudinale Relaxation der Elektronenspins eines NV - Ensembles, die durch Spin-Phonon Wechselwirkung getrieben wird nur in Temperaturbereichen höher als 4K gemessen. Diese Arbeit stellt eine Cavity Quantenelektrodynamik Messmethode vor, die es ermöglicht Spin-Phonon Relaxation in einem Temperaturbereich zwischen 25mK und 250mK zu messen. Wir stellen einen 3D Mikrowellenresonator vor, der es ermöglicht an jeden Spin des Ensembles homogen zu koppeln. Die dispersive Kopplung des Spin Ensembles zum Resonator ermöglicht es uns, die Spin Polarisation indirekt zu messen und so die longitudinale Relaxation zu bestimmen. Die gemessene maximale Zeit T1 von etwa 8 h sind ein Indiz für schwache Spin-Phonon Kopplung. Mittels Temperaturscans können wir den direkten Spin-Phonon Prozess als wesentlich für den longitudinalen Zerfall bestimmen. Weiters zeigen wir, dass in einem Temperaturbereich für den k_B T ist kleiner als die Spinübergangsenergie gilt, T1 einzig durch die spontane Emission von Spinanregungen in phononische Vakuummoden bestimmt wird. Schlussendlich vergleichen wir die Messungen meherere Diamantproben um den Einfluss von Gitterschäden auf die longitudinale Relaxation zu untersuchen. Dabei können wir auch zeigen, dass die Messdaten zweier Proben fast das berechnete Relaxationsverhalten eines einzelnen NV - im perfekten Diamanten wiedergeben.

Longitudinal relaxation, which is the interaction of quantum systems with their environment, gives a limitation of the lifetime of quantum states. Hence, the longitudinal relaxation time T1 is a characteristic measure for quantum systems and their maximally attainable coherence time (T2 <= 2 T1). A promising physical system for the realization of quantum technologies like quantum communication, information processing and metrology is the negatively charged nitrogen-vacancy color center (NV -) in diamond. The longitudinal relaxation of the NV - electron spin ensemble is driven by spin-phonon interaction and has been studied in a 'high' temperature regime (4 K) only. In this thesis, a cavity quantum electrodynamics measurement scheme for spin-phonon relaxation of NV - ensembles in a temperature regime of 25-250mK is presented. We introduce a 3D microwave resonator design, which enables homogeneous single spin coupling. Furthermore, we are able to measure the spin polarization indirectly in the dispersive regime to observe longitudinal relaxation. A maximum T1 of approximately 8 h indicates weak spin-phonon coupling. With temperature scans, we determine the direct spin-phonon process as fundamental origin of this relaxation and show that in a temperature regime of k_B T < hbar w_s , T1 is only limited by the spontaneous emission of spin excitations into the phononic vacuum modes. Furthermore, we compare four different diamond samples to investigate the influence of lattice damage on the longitudinal relaxation. We are able to show that the measured data of two samples almost show the calculated relaxation behaviour of a single NV - in a perfect crystal.