Precise control of the resonant frequency of a spin qubit is of fundamental importance to quantum sensing protocols. We demonstrate a control technique on a single nitrogen-vacancy (NV) centre in diamond where the applied magnetic field is modified by fine-tuning a permanent magnet's magnetisation via temperature control. Through this control mechanism, nanoscale cross-relaxation spectroscopy of both electron and nuclear spins in the vicinity of the NV centre is performed. We then show that through maintaining the magnet at a constant temperature, an order of magnitude improvement in the stability of the NV qubit frequency can be achieved. This improved stability is tested in the polarisation of a small ensemble of nearby 13C spins via resonant cross-relaxation, and the lifetime of this polarisation explored. The effectiveness and relative simplicity of this technique may find use in the realisation of portable spectroscopy and/or hyperpolarisation systems.

1.
A.
Morello
,
J. J.
Pla
,
F. A.
Zwanenburg
,
K. W.
Chan
,
K. Y.
Tan
,
H.
Huebl
,
M.
Möttönen
,
C. D.
Nugroho
,
C.
Yang
,
J. A.
van Donkelaar
,
A. D. C.
Alves
,
D. N.
Jamieson
,
C. C.
Escott
,
L. C. L.
Hollenberg
,
R. G.
Clark
, and
A. S.
Dzurak
,
Nature
467
,
687
(
2010
).
2.
C. D.
Hill
,
E.
Peretz
,
S. J.
Hile
,
M. G.
House
,
M.
Fuechsle
,
S.
Rogge
,
M. Y.
Simmons
, and
L. C. L.
Hollenberg
,
Sci. Adv.
1
,
e1500707
(
2015
).
3.
J. H.
Cole
and
L. C. L.
Hollenberg
,
Nanotechnology
20
,
495401
(
2009
).
4.
A.
Bienfait
,
J. J.
Pla
,
Y.
Kubo
,
M.
Stern
,
X.
Zhou
,
C. C.
Lo
,
C. D.
Weis
,
T.
Schenkel
,
M. L. W.
Thewalt
,
D.
Vion
,
D.
Esteve
,
B.
Julsgaard
,
K.
Mølmer
,
J. J. L.
Morton
, and
P.
Bertet
,
Nat. Nanotechnol.
11
,
253
(
2015
).
5.
M. W.
Doherty
,
N. B.
Manson
,
P.
Delaney
,
F.
Jelezko
,
J.
Wrachtrup
, and
L. C. L.
Hollenberg
,
Phys. Rep.
528
,
1
(
2013
).
6.
R.
Schirhagl
,
K.
Chang
,
M.
Loretz
, and
C. L.
Degen
,
Annu. Rev. Phys. Chem.
65
,
83
(
2014
).
7.
L.
Rondin
,
J.-P.
Tetienne
,
T.
Hingant
,
J.-F.
Roch
,
P.
Maletinsky
, and
V.
Jacques
,
Rep. Prog. Phys.
77
,
056503
(
2014
).
8.
J. R.
Maze
,
P. L.
Stanwix
,
J. S.
Hodges
,
S.
Hong
,
J. M.
Taylor
,
P.
Cappellaro
,
L.
Jiang
,
M. V. G.
Dutt
,
E.
Togan
,
A. S.
Zibrov
,
A.
Yacoby
,
R. L.
Walsworth
, and
M. D.
Lukin
,
Nature
455
,
644
(
2008
).
9.
G.
Balasubramanian
,
I. Y.
Chan
,
R.
Kolesov
,
M.
Al-Hmoud
,
J.
Tisler
,
C.
Shin
,
C.
Kim
,
A.
Wojcik
,
P. R.
Hemmer
,
A.
Krueger
,
T.
Hanke
,
A.
Leitenstorfer
,
R.
Bratschitsch
,
F.
Jelezko
, and
J.
Wrachtrup
,
Nature
455
,
648
(
2008
).
10.
F.
Dolde
,
H.
Fedder
,
M. W.
Doherty
,
T.
Nöbauer
,
F.
Rempp
,
G.
Balasubramanian
,
T.
Wolf
,
F.
Reinhard
,
L. C. L.
Hollenberg
,
F.
Jelezko
, and
J.
Wrachtrup
,
Nat. Phys.
7
,
459
(
2011
).
11.
G.
Kucsko
,
P. C.
Maurer
,
N. Y.
Yao
,
M.
Kubo
,
H. J.
Noh
,
P. K.
Lo
,
H.
Park
, and
M. D.
Lukin
,
Nature
500
,
54
(
2013
).
12.
S.
Schmitt
,
T.
Gefen
,
F. M.
Stürner
,
T.
Unden
,
G.
Wolff
,
C.
Müller
,
J.
Scheuer
,
B.
Naydenov
,
M.
Markham
,
S.
Pezzagna
,
J.
Meijer
,
I.
Schwarz
,
M.
Plenio
,
A.
Retzker
,
L. P.
McGuinness
, and
F.
Jelezko
,
Science
356
,
832
(
2017
).
13.
J. M.
Boss
,
K. S.
Cujia
,
J.
Zopes
, and
C. L.
Degen
,
Science
356
,
837
(
2017
).
14.
D. B.
Bucher
,
D. R.
Glenn
,
J.
Lee
,
M. D.
Lukin
,
H.
Park
, and
R. L.
Walsworth
, preprint arXiv:1705.08887 (
2017
).
15.
L. T.
Hall
,
P.
Kehayias
,
D. A.
Simpson
,
A.
Jarmola
,
A.
Stacey
,
D.
Budker
, and
L. C. L.
Hollenberg
,
Nat. Commun.
7
,
10211
(
2016
).
16.
J. D. A.
Wood
,
D. A.
Broadway
,
L. T.
Hall
,
A.
Stacey
,
D. A.
Simpson
,
J.-P.
Tetienne
, and
L. C. L.
Hollenberg
,
Phys. Rev. B
94
,
155402
(
2016
).
17.
J. D. A.
Wood
,
J.-P.
Tetienne
,
D. A.
Broadway
,
L. T.
Hall
,
D. A.
Simpson
,
A.
Stacey
, and
L. C. L.
Hollenberg
,
Nat. Commun.
8
,
15950
(
2017
).
18.
D. A.
Simpson
,
R. G.
Ryan
,
L. T.
Hall
,
E.
Panchenko
,
S. C.
Drew
,
S.
Petrou
,
P. S.
Donnelly
,
P.
Mulvaney
, and
L. C. L.
Hollenberg
,
Nat. Commun.
8
,
458
(
2017
).
19.
D. A.
Broadway
,
J.-P.
Tetienne
,
A.
Stacey
,
J. D. A.
Wood
,
D. A.
Simpson
,
L. T.
Hall
, and
L. C. L.
Hollenberg
, “
Quantum probe hyperpolarisation of molecular nuclear spins
,”
Nat. Commun.
(in press); preprint arXiv:1708.05906 (
2017
).
20.
S. E.
Lillie
,
D. A.
Broadway
,
J. D.
Wood
,
D. A.
Simpson
,
A.
Stacey
,
J. P.
Tetienne
, and
L. C.
Hollenberg
,
Phys. Rev. Lett.
118
,
167204
(
2017
);
[PubMed]
S. E.
Lillie
,
D. A.
Broadway
,
J. D.
Wood
,
D. A.
Simpson
,
A.
Stacey
,
J. P.
Tetienne
, and
L. C.
Hollenberg
eprint arXiv:1702.05822.
21.
T.
Staudacher
,
F.
Shi
,
S.
Pezzagna
,
J.
Meijer
,
J.
Du
,
C. A.
Meriles
,
F.
Reinhard
, and
J.
Wrachtrup
,
Science
339
,
561
(
2013
).
22.
H. J.
Mamin
,
M.
Kim
,
M. H.
Sherwood
,
C. T.
Rettner
,
K.
Ohno
,
D. D.
Awschalom
, and
D.
Rugar
,
Science
339
,
557
(
2013
).
23.
D. A.
Broadway
,
J. D. A.
Wood
,
L. T.
Hall
,
A.
Stacey
,
M.
Markham
,
D. A.
Simpson
,
J.-P.
Tetienne
, and
L. C. L.
Hollenberg
,
Phys. Rev. Appl.
6
,
064001
(
2016
).
24.
H. J.
Mamin
, in
MRS Spring Meeting (Talk ED12.10.01), Technical Report
, Phoenix, AZ, 17–21 April (
2017
).
25.
P.
Fernández-Acebal
,
O.
Rosolio
,
J.
Scheuer
,
C.
Müller
,
S.
Müller
,
S.
Schmitt
,
L. P.
McGuinness
,
I.
Schwarz
,
Q.
Chen
,
A.
Retzker
,
B.
Naydenov
,
F.
Jelezko
, and
M. B.
Plenio
,
Nano Lett.
(published online).
26.
T.
Häberle
,
T.
Oeckinghaus
,
D.
Schmid-Lorch
,
M.
Pfender
,
F. F.
De Oliveira
,
S. A.
Momenzadeh
,
A.
Finkler
, and
J.
Wrachtrup
,
Rev. Sci. Instrum.
88
,
013702
(
2017
). 1610.03621.
27.
P. C.
Maurer
,
G.
Kucsko
,
C.
Latta
,
L.
Jiang
,
N. Y.
Yao
,
S. D.
Bennett
,
F.
Pastawski
,
D.
Hunger
,
N.
Chisholm
,
M.
Markham
,
D. J.
Twitchen
,
J. I.
Cirac
, and
M. D.
Lukin
,
Science
336
,
1283
(
2012
).
28.
H.-J.
Wang
,
C. S.
Shin
,
C. E.
Avalos
,
S. J.
Seltzer
,
D.
Budker
,
A.
Pines
, and
V. S.
Bajaj
,
Nat. Commun.
4
,
1940
(
2013
).
29.
A.
Jarmola
,
V. M.
Acosta
,
K.
Jensen
,
S.
Chemerisov
, and
D.
Budker
,
Phys. Rev. Lett.
108
,
197601
(
2012
).
30.
B. C.
Stipe
,
H. J.
Mamin
,
C. S.
Yannoni
,
T. D.
Stowe
,
T. W.
Kenny
, and
D.
Rugar
,
Phys. Rev. Lett.
87
,
277602
(
2001
).

Supplementary Material

You do not currently have access to this content.