Quantum Magnetometry with Orientation beyond Steady-State Limits in Cavity-Magnon Systems

磁强计 物理 方向(向量空间) 量子 凝聚态物理 量子力学 量子系统 量子点 磁场 量子传感器 量子极限 鱿鱼 铁磁性 统计物理学
作者
Zheng Liu,Ding-hui Xu,Yi‐jia Yang,Yu-qiang Liu,Chang‐shui Yu
出处
期刊:Physical Review Letters [American Physical Society]
卷期号:137 (10): 103602-103602
标识
DOI:10.1103/z982-mv6k
摘要

We propose a transient vector quantum magnetometry protocol based on cavity-magnon systems. By exploiting finite-time dynamics initialized from a reservoir-engineered squeezed steady state, our scheme retains residual squeezing-induced quadrature noise reduction, which suppresses transient added noise and enhances the short-time signal-to-noise ratio beyond conventional unsqueezed steady-state limits. IQ demodulation of orthogonal cavity-output quadratures enables crosstalk-free reconstruction of all three components of a transient magnetic field, providing access to both its magnitude and orientation. This vector capability is relevant for short-lived magnetic phenomena such as pulsed spin excitations, magnetic textures, nanoscale current transients, and biomagnetic signals. In the long-time limit, we derive a closed-form stationary noise spectrum and identify the on-resonance noise-cancellation condition g_{am}=sqrt[κ_{a}κ_{m}]/2 at which the cavity-added noise vanishes without strong coherent coupling. Injected squeezing further suppresses the cavity-added noise away from resonance, while an array of N yttrium iron garnet spheres reduces the magnon-probe noise contribution by a factor of 1/N. Our results establish cavity-magnon systems as a scalable platform for transient, vector-resolved quantum magnetometry.
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