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Quantum sensing with a spin ensemble in a two-dimensional material

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作者
Biswas, Souvik,Scuri, Giovanni,Huffman, Noah,Rosenthal, Eric I.,Gong, Ruotian,Poirier, Thomas,Gao Xingyu,Vaidya, Sumukh,Stein, Abigail J.,Weissman, Tsachy,Edgar, James H.,Li, Tongcang,Zu, Chong,Vučković, Jelena,Choi, Joonhee
出处
期刊:Cornell University - arXiv
标识
DOI:10.48550/arxiv.2509.08984
摘要

Quantum sensing with solid-state spin defects has transformed nanoscale metrology, offering sub-wavelength spatial resolution with exceptional sensitivity to multiple signal types. Maximizing these advantages requires minimizing both the sensor-target separation and detectable signalthreshold. However, leading platforms such as nitrogen-vacancy (NV) centers in diamond suffer performance degradation near surfaces or in nanoscale volumes, motivating the search for optically addressable spin sensors in atomically thin, two-dimensional (2D) materials. Here, we present an experimental framework to probe a novel 2D spin ensemble, including its Hamiltonian, coherent sensing dynamics, and noise environment. Using a central spin system in a 2D hexagonal boron nitride (hBN) crystal, we fully map the hyperfine interactions with proximal nuclear spins, demonstrate programmable switching between magnetic and electric sensing, and introduce a robust method for reconstructing the environmental noise spectrum explicitly accounting for quantum control imperfections. We achieve a record coherence time of 80 $μ$s and nanotesla-level AC magnetic sensitivity at a 10 nm target distance, reaching the threshold for detecting a single nuclear spin in nanoscale spectroscopy. Leveraging the broad opportunities for defect engineering in atomically thin hosts, these results lay the foundation for next-generation quantum sensors with ultrahigh sensitivity, tunable noise selectivity, and versatile quantum functionalities.
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