Magnetic resonance with ensembles of electron spins is commonly performed around 10 GHz, but also at frequencies above 240 GHz and in corresponding magnetic fields of over 9 T. However, experiments with single electron and nuclear spins so far only reach into frequency ranges of several 10 GHz, where existing coplanar waveguide structures for microwave (MW) delivery are compatible with single spin readout techniques (e.g., electrical or optical readout). Here, we explore the frequency range up to 90 GHz, with magnetic fields of up to ≈3 T for single spin magnetic resonance in conjunction with optical spin readout. To this end, we develop MW resonators with optical single spin access. In our case, rectangular 60–90 GHz (E-band) waveguides guarantee low-loss supply of microwaves to the resonators. Three dimensional cavities, as well as coplanar waveguide resonators, enhance MW fields by spatial and spectral confinement with a MW efficiency of 1 . 36 mT / W . We utilize single nitrogen vacancy (NV) centers as hosts for optically accessible spins and show that their properties regarding optical spin readout known from smaller fields (<0.65 T) are retained up to fields of 3 T. In addition, we demonstrate coherent control of single nuclear spins under these conditions. Furthermore, our results extend the applicable magnetic field range of a single spin magnetic field sensor. Regarding spin based quantum registers, high fields lead to a purer product basis of electron and nuclear spins, which promises improved spin lifetimes. For example, during continuous single-shot readout, the 14N nuclear spin shows second-long longitudinal relaxation times.

1.
J.
Wrachtrup
,
C.
von Borczyskowski
,
J.
Bernard
,
M.
Orritt
, and
R.
Brown
,
Nature
363
,
244
(
1993
).
2.
J.
Wrachtrup
,
C.
von Borczyskowski
,
J.
Bernard
,
M.
Orrit
, and
R.
Brown
,
Phys. Rev. Lett.
71
,
3565
(
1993
).
3.
F.
Jelezko
,
T.
Gaebel
,
I.
Popa
,
M.
Domhan
,
A.
Gruber
, and
J.
Wrachtrup
,
Phys. Rev. Lett.
93
,
130501
(
2004
).
4.
J. R.
Weber
,
W. F.
Koehl
,
J. B.
Varley
,
A.
Janotti
,
B. B.
Buckley
,
C. G. V. d.
Walle
, and
D. D.
Awschalom
,
Appl. Phys. Lett.
109
,
102417
(
2011
).
5.
J. J.
Pla
,
K. Y.
Tan
,
J. P.
Dehollain
,
W. H.
Lim
,
J. J. L.
Morton
,
F. A.
Zwanenburg
,
D. N.
Jamieson
,
A. S.
Dzurak
, and
A.
Morello
,
Nature
496
,
334
(
2013
).
6.
P.
Siyushev
,
K.
Xia
,
R.
Reuter
,
M.
Jamali
,
N.
Zhao
,
N.
Yang
,
C.
Duan
,
N.
Kukharchyk
,
A. D.
Wieck
,
R.
Kolesov
, and
J.
Wrachtrup
,
Nat. Commun.
5
,
3895
(
2014
).
7.
D. M.
Toyli
,
C. D.
Weis
,
G. D.
Fuchs
,
T.
Schenkel
, and
D. D.
Awschalom
,
Nano Lett.
10
,
3168
(
2010
).
8.
A.
Morello
,
J. J.
Pla
,
F. A.
Zwanenburg
,
K. W.
Chan
,
K. Y.
Tan
,
H.
Huebl
,
M.
Mottonen
,
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
).
9.
R.
Kolesov
,
K.
Xia
,
R.
Reuter
,
M.
Jamali
,
R.
Stöhr
,
T.
Inal
,
P.
Siyushev
, and
J.
Wrachtrup
,
Phys. Rev. Lett.
111
,
120502
(
2013
).
10.
R.
Kolesov
,
K.
Xia
,
R.
Reuter
,
R.
Stöhr
,
A.
Zappe
,
J.
Meijer
,
P. R.
Hemmer
, and
J.
Wrachtrup
,
Nat. Commun.
3
,
1029
(
2012
).
11.
C.
Yin
,
M.
Rancic
,
G. G.
de Boo
,
N.
Stavrias
,
J. C.
McCallum
,
M. J.
Sellars
, and
S.
Rogge
,
Nature
497
,
91
(
2013
).
12.
G.
Waldherr
,
Y.
Wang
,
S.
Zaiser
,
M.
Jamali
,
T.
Schulte-Herbrüggen
,
H.
Abe
,
T.
Ohshima
,
J.
Isoya
,
J. F.
Du
,
P.
Neumann
, and
J.
Wrachtrup
,
Nature
506
,
204
(
2014
).
13.
F.
Dolde
,
V.
Bergholm
,
Y.
Wang
,
I.
Jakobi
,
B.
Naydenov
,
S.
Pezzagna
,
J.
Meijer
,
F.
Jelezko
,
P.
Neumann
,
T.
Schulte-Herbrüggen
,
J.
Biamonte
, and
J.
Wrachtrup
,
Nat. Commun.
5
,
3371
(
2014
).
14.
E.
Togan
,
Y.
Chu
,
A. S.
Trifonov
,
L.
Jiang
,
J.
Maze
,
L.
Childress
,
M. V. G.
Dutt
,
A. S.
Sørensen
,
P. R.
Hemmer
,
A. S.
Zibrov
, and
M. D.
Lukin
,
Nature
466
,
730
(
2010
).
15.
H.
Bernien
,
B.
Hensen
,
W.
Pfaff
,
G.
Koolstra
,
M. S.
Blok
,
L.
Robledo
,
T. H.
Taminiau
,
M.
Markham
,
D. J.
Twitchen
,
L.
Childress
, and
R.
Hanson
,
Nature
497
,
86
(
2013
).
16.
D. R.
McCamey
,
J. V.
Tol
,
G. W.
Morley
, and
C.
Boehme
,
Science
330
,
1652
(
2010
).
17.
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
).
18.
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
).
19.
T.
Häberle
,
D.
Schmid-Lorch
,
F.
Reinhard
, and
J.
Wrachtrup
,
Nat. Nanotechnol.
10
,
125
(
2015
).
20.
H. J.
Mamin
,
M.
Kim
,
M. H.
Sherwood
,
C. T.
Rettner
,
K.
Ohno
,
D. D.
Awschalom
, and
D.
Rugar
,
Science
339
,
557
(
2013
).
21.
S. J.
DeVience
,
L. M.
Pham
,
I.
Lovchinsky
,
A. O.
Sushkov
,
N.
Bar-Gill
,
C.
Belthangady
,
F.
Casola
,
M.
Corbett
,
H.
Zhang
,
M.
Lukin
,
H.
Park
,
A.
Yacoby
, and
R. L.
Walsworth
,
Nat. Nanotechnol.
10
,
129
(
2015
).
22.
T.
Staudacher
,
F.
Shi
,
S.
Pezzagna
,
J.
Meijer
,
J.
Du
,
C. A.
Meriles
,
F.
Reinhard
, and
J.
Wrachtrup
,
Science
339
,
561
(
2013
).
23.
B.
Grotz
,
J.
Beck
,
P.
Neumann
,
B.
Naydenov
,
R.
Reuter
,
F.
Reinhard
,
F.
Jelezko
,
J.
Wrachtrup
,
D.
Schweinfurth
,
B.
Sarkar
, and
P.
Hemmer
,
New J. Phys.
13
,
055004
(
2011
).
24.
M. S.
Grinolds
,
S.
Hong
,
P.
Maletinsky
,
L.
Luan
,
M. D.
Lukin
,
R. L.
Walsworth
, and
A.
Yacoby
,
Nat. Phys.
9
,
215
(
2013
).
25.
A.
Gruber
,
A.
Drabenstedt
,
C.
Tietz
,
L.
Fleury
,
J.
Wrachtrup
, and
C.
vonBorczyskowski
,
Science
276
,
2012
(
1997
).
26.
H.
Iizuka
,
T.
Watanabe
,
K.
Sato
, and
K.
Nishikawa
,
IEICE Trans. Commun.
E85-B
,
1169
(
2002
).
27.
N.
Mizuochi
,
P.
Neumann
,
F.
Rempp
,
J.
Beck
,
V.
Jacques
,
P.
Siyushev
,
K.
Nakamura
,
D.
Twitchen
,
H.
Watanabe
,
S.
Yamasaki
,
F.
Jelezko
, and
J.
Wrachtrup
,
Phys. Rev. B
80
,
041201
(
2009
).
28.
R. J.
Epstein
,
F. M.
Mendoza
,
Y. K.
Kato
, and
D. D.
Awschalom
,
Nat. Phys.
1
,
94
(
2005
).
29.
D.
Pozar
,
Microwave Engineering
(
Wiley
,
2004
).
30.
M.
Steiner
,
P.
Neumann
,
J.
Beck
,
F.
Jelezko
, and
J.
Wrachtrup
,
Phys. Rev. B
81
,
035205
(
2010
).
31.
P.
Neumann
,
J.
Beck
,
M.
Steiner
,
F.
Rempp
,
H.
Fedder
,
P. R.
Hemmer
,
J.
Wrachtrup
, and
F.
Jelezko
,
Science
329
,
542
(
2010
).
32.
V.
Stepanov
,
F. H.
Cho
,
C.
Abeywardana
, and
S.
Takahashi
,
Appl. Phys. Lett.
106
,
063111
(
2015
).
You do not currently have access to this content.