自由空间电子自旋传感的量子计量学

透射电子显微镜（TEM）的最新进展为实现单自旋灵敏度的自旋共振光谱学开辟了道路。为评估这一潜力，我们研究了使用自由电子探针进行磁矩感知的量子精度极限。通过一个散射模型，其中电子波包与局域自旋相互作用，我们研究了两个计量任务：估计磁矩的大小和判别自旋的存在。给定测量设置的灵敏度通常由经典费雪信息决定，我们将其与在所有测量上优化的量子界进行基准比较。我们发现，当探针电子对自旋态的反作用可忽略时，传统 TEM 成像可以饱和量子界。我们还发现，当反作用显著时，可以通过实现电子轨道角动量态的测量来获得更好的结果。这些结果建立了 TEM 中自旋传感的量子极限，并指导未来探测单个电子自旋或纳米尺度核自旋系综的实验发展。