Transfer of angular momentum from a spin-polarized current to a ferromagnet provides an efficient means to control the dynamics of nanomagnets. A peculiar consequence of this spin-torque, the ability to induce persistent oscillations of a nanomagnet by applying a dc current, has previously been reported only for spatially uniform nanomagnets. Here we demonstrate that a quintessentially nonuniform magnetic structure, a magnetic vortex, isolated within a nanoscale spin valve structure, can be excited into persistent microwave-frequency oscillations by a spin-polarized dc current. Comparison to micromagnetic simulations leads to identification of the oscillations with a precession of the vortex core. The oscillations, which can be obtained in essentially zero magnetic field, exhibit linewidths that can be narrower than 300 kHz, making these highly compact spin-torque vortex oscillator devices potential candidates for microwave signal-processing applications, and a powerful new tool for fundamental studies of vortex dynamics in magnetic nanostructures.

We describe a hybrid pixel array detector (EMPAD - electron microscope pixel array detector) adapted for use in electron microscope applications, especially as a universal detector for scanning transmission electron microscopy. The 128 x 128 pixel detector consists of a 500 um thick silicon diode array bump-bonded pixel-by-pixel to an application-specific integrated circuit (ASIC). The in-pixel circuitry provides a 1,000,000:1 dynamic range within a single frame, allowing the direct electron beam to be imaged while still maintaining single electron sensitivity. A 1.1 kHz framing rate enables rapid data collection and minimizes sample drift distortions while scanning. By capturing the entire unsaturated diffraction pattern in scanning mode, one can simultaneously capture bright field, dark field, and phase contrast information, as well as being able to analyze the full scattering distribution, allowing true center of mass imaging. The scattering is recorded on an absolute scale, so that information such as local sample thickness can be directly determined. This paper describes the detector architecture, data acquisition (DAQ) system, and preliminary results from experiments with 80 to 200 keV electron beams.

Quick Spin Flips Quantum computation holds the tantalizing promise of vastly improving the efficiency of traditional computers. Among the many solid-state candidates for storing and manipulating quantum information, nitrogen vacancy centers in diamond are especially attractive because they can be used at room temperature and stay operational for milliseconds at a time. To use this coherence time efficiently, it is important to achieve fast manipulation of the spins in the system. Fuchs et al. (p. 1520 , published online 19 November; see the Perspective by Gerardot and Öhberg ) used pulses of strong microwave magnetic field to probe the dynamics of single spins in a nitrogen vacancy center. In this “strong-driving” nonlinear regime, extremely quick spin flips of less than a nanosecond in duration were observed, offering the possibility that up to a million operations could be performed on a single spin during its coherence time.

We investigate the distribution and temperature-dependent optical properties of sharp, zero-phonon emission from defect-based single photon sources in multilayer hexagonal boron nitride (h-BN) flakes. We observe sharp emission lines from optically active defects distributed across an energy range that exceeds 500 meV. Spectrally-resolved photon-correlation measurements verify single photon emission, even when multiple emission lines are simultaneously excited within the same h-BN flake. We also present a detailed study of the temperature-dependent linewidth, spectral energy shift, and intensity for two different zero-phonon lines centered at 575 nm and 682 nm, which reveals a nearly identical temperature dependence despite a large difference in transition energy. Our temperature-dependent results are best described by a lattice vibration model that considers piezoelectric coupling to in-plane phonons. Finally, polarization spectroscopy measurements suggest that whereas the 575 nm emission line is directly excited by 532 nm excitation, the 682 nm line is excited indirectly.

As spin-based quantum technology evolves, the ability to manipulate spin with non-magnetic fields is critical - both for the development of hybrid quantum systems and for compatibility with conventional technology. Particularly useful examples are electric fields, optical fields, and mechanical lattice vibrations. The last of these represents direct spin-phonon coupling, which has garnered fundamental interest as a potential mediator of spin-spin interactions, but could also find applications in high-stability inertial sensing. In this Letter, we demonstrate direct coupling between phonons and nitrogen-vacancy (NV) center spins in diamond by inducing spin transitions with mechanically-driven harmonic strain. The ability to control NV spins mechanically can enhance NV-based quantum metrology, grant access to all transitions within the spin-1 quantum state of the NV center, and provide a platform to study spin-phonon interactions at the level of a few interacting spins.

We demonstrate the integration of a thin BaTiO

We use a bulk acoustic wave resonator to demonstrate coherent control of the excited orbital states in a diamond nitrogen-vacancy (NV) center at cryogenic temperature. Coherent quantum control is an essential tool for understanding and mitigating decoherence. Moreover, characterizing and controlling orbital states is a central challenge for quantum networking, where optical coherence is tied to orbital coherence. We study resonant multiphonon orbital Rabi oscillations in both the frequency and time domain, extracting the strength of the orbital-phonon interactions and the coherence of the acoustically driven orbital states. We reach the strong-driving limit, where the physics is dominated by the coupling induced by the acoustic waves. We find agreement between our measurements, quantum master-equation simulations, and a Landau-Zener transition model in the strong-driving limit. Using perturbation theory, we derive an expression for the orbital Rabi frequency versus the acoustic drive strength that is nonperturbative in the drive strength and agrees well with our measurements for all acoustic powers. Motivated by continuous-wave spin-resonance-based decoherence protection schemes, we model the orbital decoherence and find good agreement between our model and our measured few-to-several-nanoseconds orbital decoherence times. We discuss the outlook for orbital decoherence protection. Published by the American Physical Society 2024

Bulk acoustic wave (BAW) resonators that generate dynamic lattice strain are important for applications such as filters, sensors, and quantum control, but there is a lack of measurements available to quantify the strain directly. This study uses stroboscopic X-ray diffraction microscopy with correlated optical measurements on an ensemble of nitrogen-vacancy center defects to measure the dynamic strain in a diamond BAW resonator. This unique approach allows for directly imaging BAW resonator strain to improve fabrication and performance and for directly measuring important parameters of quantum defects to improve quantum control.