利用 E 波段微波谐振器进行单自旋光探测磁共振

如今，电子自旋系综的磁共振实验频率范围高达 240 GHz，对应磁场高达 10 T。然而，单电子和单核自旋的实验迄今为止仅达到几十 GHz 的频率范围，在此范围内现有的用于微波 (MW) 传输的共面波导结构与单自旋读取技术（例如电学或光学读取）兼容。在此，我们探索了高达 90 GHz 的频率范围（即高达约 3 T 的磁场），用于结合光学自旋读取的单自旋磁共振。为此，我们开发了具有光学单自旋访问能力的微波谐振器。在我们的案例中，矩形 E 波段波导保证了向谐振器低损耗地供应微波。三维腔体以及共面波导谐振器通过空间和频谱限制增强了微波场，微波效率为 $1.36\,\mathrm{mT/\sqrt{W}}$。我们利用单个 NV 色心作为光学可访问自旋的宿主，并表明其在较小磁场 (<0.65 T) 下已知的光学自旋读取特性在高达 3 T 的磁场下得以保留。此外，我们展示了在这些条件下对单个核自旋的相干控制。此外，我们的结果扩展了单自旋磁场传感器的适用磁场范围。对于基于自旋的量子寄存器，高磁场导致电子和核自旋的乘积基更纯，有望改善自旋寿命。例如，在连续单次读取期间，$^{14}$N 核自旋显示出秒级的纵向弛豫时间。