Microwave Control of the Tin-Vacancy Spin Qubit in Diamond with a Superconducting Waveguide

Group-IV color centers in diamond are promising candidates for quantum networks due to their dominant zero-phonon line and symmetry-protected optical transitions that connect to coherent spin levels. The negatively charged tin-vacancy (SnV) center possesses long electron spin lifetimes due to its large spin-orbit splitting. However, the magnetic dipole transitions required for microwave spin control are suppressed, and strain is necessary to enable these transitions. Recent work has shown spin control of strained emitters using microwave lines that suffer from Ohmic losses, restricting coherence through heating. We utilize a superconducting coplanar waveguide to measure SnV centers subjected to strain, observing substantial improvement. A detailed analysis of the SnV center electron spin Hamiltonian based on the angle-dependent splitting of the ground and excited states is performed. We demonstrate coherent spin manipulation and obtain a Hahn echo coherence time of up to $T_2 = 430\,\mu$s. With dynamical decoupling, we can prolong coherence to $T_2 = 10\,$ms, about six-fold improved compared to earlier works. We also observe a nearby coupling $^{13}\mathrm{C}$ spin which may serve as a quantum memory. This substantiates the potential of SnV centers in diamond and demonstrates the benefit of superconducting microwave structures.Comment: Main: 9 pages, 5 figures, 1 tables; Supplement: 15 pages, 10 figures, 1 tabl

Optimisation of a diamond nitrogen vacancy centre magnetometer for sensing of biological signals

Sensing of signals from biological processes, such as action potential propagation in nerves, are essential for clinical diagnosis and basic understanding of physiology. Sensing can be performed electrically by placing sensor probes near or inside a living specimen or dissected tissue using well established electrophysiology techniques. However, these electrical probe techniques have poor spatial resolution and cannot easily access tissue deep within a living subject, in particular within the brain. An alternative approach is to detect the magnetic field induced by the passage of the electrical signal, giving the equivalent readout without direct electrical contact. Such measurements are performed today using bulky and expensive superconducting sensors with poor spatial resolution. An alternative is to use nitrogen vacancy (NV) centres in diamond that promise biocompatibilty and high sensitivity without cryogenic cooling. In this work we present advances in biomagnetometry using NV centres, demonstrating magnetic field sensitivity of approximately 100 pT/$\sqrt{Hz}$ in the DC/low frequency range using a setup designed for biological measurements. Biocompatibility of the setup with a living sample (mouse brain slice) is studied and optimized, and we show work toward sensitivity improvements using a pulsed magnetometry scheme. In addition to the bulk magnetometry study, systematic artifacts in NV-ensemble widefield fluorescence imaging are investigated

Optimisation of a diamond nitrogen vacancy centre magnetometer for sensing of biological signals

Sensing of signals from biological processes, such as action potential propagation in nerves, are essential for clinical diagnosis and basic understanding of physiology. Sensing can be performed electrically by placing sensor probes near or inside a living specimen or dissected tissue using well established electrophysiology techniques. However, these electrical probe techniques have poor spatial resolution and cannot easily access tissue deep within a living subject, in particular within the brain. An alternative approach is to detect the magnetic field induced by the passage of the electrical signal, giving the equivalent readout without direct electrical contact. Such measurements are performed today using bulky and expensive superconducting sensors with poor spatial resolution. An alternative is to use nitrogen vacancy (NV) centres in diamond that promise biocompatibilty and high sensitivity without cryogenic cooling. In this work we present advances in biomagnetometry using NV centres, demonstrating magnetic field sensitivity of approximately 100 pT/$\sqrt{Hz}$ in the DC/low frequency range using a setup designed for biological measurements. Biocompatibility of the setup with a living sample (mouse brain slice) is studied and optimized, and we show work toward sensitivity improvements using a pulsed magnetometry scheme. In addition to the bulk magnetometry study, systematic artifacts in NV-ensemble widefield fluorescence imaging are investigated

Optimization of a Diamond Nitrogen Vacancy Centre Magnetometer for Sensing of Biological Signals

Sensing of signals from biological processes, such as action potential propagation in nerves, are essential for clinical diagnosis and basic understanding of physiology. Sensing can be performed electrically by placing sensor probes near or inside a living specimen or dissected tissue using well-established electrophysiology techniques. However, these electrical probe techniques have poor spatial resolution and cannot easily access tissue deep within a living subject, in particular within the brain. An alternative approach is to detect the magnetic field induced by the passage of the electrical signal, giving the equivalent readout without direct electrical contact. Such measurements are performed today using bulky and expensive superconducting sensors with poor spatial resolution. An alternative is to use nitrogen vacancy (NV) centers in diamond that promise biocompatibilty and high sensitivity without cryogenic cooling. In this work we present advances in biomagnetometry using NV centers, demonstrating magnetic field sensitivity of ∼100 pT/√Hz in the DC/low frequency range using a setup designed for biological measurements. Biocompatibility of the setup with a living sample (mouse brain slice) is studied and optimized, and we show work toward sensitivity improvements using a pulsed magnetometry scheme. In addition to the bulk magnetometry study, systematic artifacts in NV-ensemble widefield fluorescence imaging are investigated

Entwicklung ionenstrahlgestützter Hochdurchsatz-Analysemethoden für die kombinatorische Materialforschung

In der vorliegenden Arbeit wurde untersucht inwiefern Ionenstrahlmethoden als HT-Messmethoden in der kombinatorischen Materialforschung einsetzbar sind. Es wurde ein geeigneter Messaufbau entwickelt mit dem HT-RBS und HT-Wasserstoffmessungen mittels der N-15 NRA durchgeführt werden können. Weiterhin wurde an Mg-Ti als Testsystem gezeigt, dass HT-N-15 NRA tiefenaufgelöste Absolutmessungen der H-Konzentration erlaubt, die mit anderen HT-Methoden nicht zugänglich sind. Daneben wurde außerdem die E-D-R Methode entwickelt. Bei dieser handelt es sich um ein systematisiertes Verfahren, dass EDX, DIGE und RBS kombiniert. Diese Methode ist für beliebige Materialzusammensetzungen einsetzbar. Die Möglichkeiten der E-D-R Methode wurden in der Arbeit am Li-Ni-Mn-Co-O System demonstriert

Projekt Optimierung des Psychopharmaka-Einsatzes in der stationären Altenpflege (OPESA). Abschlussbericht

Ausgangspunkt des Projektes OPESA war die Tatsache, dass bei Pflegeheimbewohnern vergleichsweise viele Psychopharmaka verordnet werden. Außerdem erfolgt ihr Einsatz häufig über einen viel zu langen Zeitraum. Überdurchschnittlich oft sind demenzkranke Menschen und Bewohner mit akuten Verwirrtheitszuständen davon betroffen. Bei ihnen werden Psychopharmaka am häufigsten beim Auftreten sogenannter Verhaltensauffälligkeiten verschrieben. Im zweijährigen Praxisprojekt der Diözesan-Caritasverbände Köln und Paderborn wurden mögliche Gründe für das Bestehen dieser Probleme analysiert und praktikable Lösungsansätze für einen angemesseneren Umgang mit Psychopharmaka diskutiert und ausprobiert. Am Projekt beteiligten sich 16 stationäre Altenpflegeeinrichtungen. Basierend auf den Ergebnissen einer vorgeschalteten Ist-Analyse wurden pro Einrichtung in mehreren Workshops mit den Leitungskräften die Verbesserungsbedarfe identifiziert sowie konkrete Optimierungsmöglichkeiten besprochen und umgesetzt. Diese betrafen sowohl die einrichtungsinternen Prozesse als auch die Zusammenarbeit mit den Haus- und Fachärzten und den Apotheken. Parallel durchlief pro Projekteinrichtung eine Pflegefachperson die Qualifizierung zum Medikamentenbeauftragten. Diese Beauftragten nehmen nun vor allem eine unterstützende und beratende Funktion im internen Medikamentenmanagement wahr und sind ein wichtiges Bindeglied zu den Ärzten und Apotheken. Im Verlauf des Projektes konnte der Einsatz von Psychopharmaka in den beteiligten Einrichtungen bereits reduziert und eine Neu-Verordnung in mehreren Fällen vermieden werden. Es wurde auch damit begonnen, den Einsatz der gesamten Medikation auf den Prüfstand zu stellen, vor allem wegen der Gefahr von gravierenden Wechselwirkungen bei Polypharmazie und Nebenwirkungen von Arzneimitteln, die demenzähnliche Symptome verursachen. Insgesamt ist klar geworden, dass entsprechende Verbesserungen nur erreicht werden können, wenn alle an der Versorgung Beteiligten ihre berufsimmanente Verantwortung wahrnehmen. Deutlich wurde auch, dass es sich lohnt, Zeit für das Forschen nach den Gründen für besonderes Ausdrucksverhalten zu investieren. Häufig kann die Ursache für das besondere Verhalten ohne Psychopharmaka-Einsatz „behoben“ werden. Dann tritt das Verhalten nicht mehr auf, z.B. weil ursächliche Schmerzen ausgeschaltet werden konnten. In der Folge können erhebliche Zeit- bzw. Personalressourcen eingespart werden, da nicht mehr zeitaufwendig auf das besondere Verhalten eingegangen werden muss. Außerdem sollte der Einsatz von nicht pharmakologischen Interventionen immer Vorrang vor einer Psychopharmaka-Verordnung haben, weil dadurch die Bewohner in der Regel wacher, ansprechbarer, mobiler und selbständiger sind bzw. bleiben und sie weniger Pflege und Betreuung bedürfen als unter einer Psychopharmaka-Anwendung