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Nuclear assisted spin to charge conversion for nanoscale nuclear magnetic resonance

English title Nuclear assisted spin to charge conversion for nanoscale nuclear magnetic resonance
Applicant Shields Brendan
Number 190592
Funding scheme Spark
Research institution Departement Physik Universität Basel
Institution of higher education University of Basel - BS
Main discipline Condensed Matter Physics
Start/End 01.02.2020 - 31.01.2021
Approved amount 107'204.00
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Keywords (6)

quantum information; nitrogen vacancy center; quantum sensing; nuclear magnetic resonance; nanoscale magnetometry; quantum metrology

Lay Summary (German)

Lead
Die Kernmagnetische Resonanz (NMR) ist eine leistungsstarke Technik, die für viele Anwendungen, wie zum Beispiel die chemische Analyse und die Strukturbestimmung eines Moleküls, eingesetzt werden kann. NMR-Sensoren, die auf Atomdefekten in Festkörpersystemen basieren, ermöglichen das Messen von nanoskaligen Proben. Dies ermöglicht unzählige neue Anwendungen in der Materialwissenschaft und Biologie, wo viele relevante Phänomene auf Nanometerlängenskalen auftreten. Die Verbesserung der Empfindlichkeit solcher Sensoren ist entscheidend für die Realisierung dieser Anwendungen.
Lay summary

Das Projekt hat zum Ziel, neue Methoden zur Messung des elektronischen Zustands eines solchen Festkörpersensors, des Stickstoff-Fehlstellen-Zentrums (NV) im Diamanten, zu erforschen. Insbesondere wird das Projekt Werkzeuge entwickeln, um (i) das Messsignal des NVs zu verstärken, (ii) den NV-Ladezustand zu nutzen, um den Signalkontrast zu verbessern, und (iii) diese zwei Punkte mit der Kopplung an weitere Atome im Diamanten zu kombinieren für eine weitere Optimierung der Signale.

Das Projekt wird neue Techniken entwickeln, um die Grenzen der NMR auf der Nanoskala zu verschieben, und neue Erkenntnisse über Spin und Ladungsdynamik in der Festkörperumgebung des NV-Zentrums zu generieren. Letztendlich werden diese Techniken zu empfindlicheren NMR-Sensoren führen und neue Untersuchungen von nanoskaligen Phänomenen ermöglichen.

Direct link to Lay Summary Last update: 11.02.2020

Responsible applicant and co-applicants

Abstract

Nuclear magnetic resonance of nanoscale sample volumes would radically revolutionize diverse fields ranging from medicine to condensed matter. Over the course of the past decade, the development of solid state quantum sensors has been steadily marching towards this goal. In this project, we propose a path toward dramatic improvement in magnetic sensitivity for a leading nanoscale solid-state sensor, the nitrogen vacancy (NV) centre in diamond. The NV is an atomic scale defect in the diamond lattice having a single electron spin degree of freedom. Crucially, the electron spin can be initialized and read out by application of laser light and fluorescence contrast detection, a process known as optically detected magnetic resonance (ODMR). Furthermore, the electron spin is coherently coupled to nearby nuclear spins including the nuclear spin of the host nitrogen atom. A high-precision measurement of the NV electron spin is the key enabling technology for nanoscale sensing with this system.We propose to combine two key techniques for electron spin readout, namely nuclear assisted repetitive readout (NRR) and spin-to-charge conversion (SCC). The SCC method converts the spin state to the robust charge degree of freedom, which eliminates the detrimental effects of photon shot noise, yielding up to an order of magnitude signal-to-noise (SNR) enhancement over the standard fluorescence contrast readout for a single readout cycle. Meanwhile, the NRR method stores the electron spin state in a long-lived nuclear spin, allowing for hundreds of readout cycles.However, the combination of SCC with NRR to date has been hampered by technical complexity as well as by the high overhead time of the SCC method (typically on the order of milliseconds). The primary technical goal of this proposal is therefore to dramatically reduce the SCC overhead time to ~3 microseconds through a combination of photonic engineering and adaptive measurement protocols. This will enable the combination of SCC with NRR, leading to an order of magnitude improvement in SNR, and boosting the corresponding sensitivity of NV-based nanoscale NMR techniques.
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