Grunnleggende prinsipp for kontinuerlig heterodyndeteksjon. (A) Forenklet energinivå for NV-sentre. ∣±1〉-tilstandene kan polariseres til ∣0〉-tilstand med en hastighet på Γp. En resonansmikrobølge adresserer ∣0〉 ↔ ∣1〉 spinnovergangen. (B) Evolusjon av NV-senteret drevet av mikrobølger av forskjellige størrelser. For en sterk mikrobølge viser spinntilstanden en Rabi-oscillasjon mellom ∣0〉 og ∣1〉 med frekvensen Ω proporsjonal med mikrobølgestørrelsen. For en svak mikrobølge degraderes oscillasjonen til et eksponentielt forfall med en hastighet proporsjonal med kvadratet av mikrobølgestørrelsen. (C og D) Sammenligning av direkte og heterodyn deteksjon. Konkurransen mellom laserindusert polarisering og mikrobølgeindusert avslapning fører til en likevektsspinntilstand. For direkte deteksjon (C) resulterer konstant mikrobølgestyrke i DC-fluorescenssignal. For heterodyndeteksjon (D) resulterer mikrobølgeinterferensen i en tidsvarierende størrelse og dermed et AC-fluorescenssignal. Kreditt: Vitenskapens fremskritt (2022). DOI: 10.1126/sciadv.abq8158
Mikrobølgefeltsensorer er viktige i praksis for en rekke bruksområder på tvers av astronomi og kommunikasjonsteknikk. Nitrogenvakanssenteret i diamant tillater magnetometrisk følsomhet, stabilitet og kompatibilitet med omgivelsesforhold. Til tross for det har de eksisterende nitrogen ledige senterbaserte magnetometrene begrenset følsomhet i mikrobølgebåndet.
I en ny rapport som nå er publisert i Vitenskapens fremskritt, Zeching Wang og et team av forskere ved University of Science and Technology i Kina, presenterte et kontinuerlig, heterodyne deteksjonsskjema for å forbedre sensorens respons på svake mikrobølger i fravær av spinnkontroller. Laget oppnådde en følsomhet på 8,9 pTHz-1/2 for mikrobølger via et ensemble av ledige nitrogensentre innenfor et spesifisert sensorvolum. Arbeidet kan være til nytte for praktiske anvendelser av diamantbaserte mikrobølgesensorer.
Avanserte bruksområder for mikrobølgeføling
Følsomheten til de fleste moderne applikasjoner som spenner fra trådløs kommunikasjon til elektron paramagnetisk resonans og astronomiske observasjoner kan forbedres via fremskritt innen mikrofeltdeteksjonsmetoder. Forskere har allerede utviklet en rekke kvantesensorer det siste tiåret med forbedrede muligheter. Blant dem er ledighetssenteret for nitrogen identifisert av sine unike egenskaper for on-chip-deteksjon, selv om det lider av relativt lav følsomhet. Forskere kan bruke ledige nitrogenensembler for å forbedre følsomheten til diamantmagnetometeret betydelig.
I dette arbeidet foreslo Wang og andre et kontinuerlig heterodyne-deteksjonsskjema for å forbedre sensorens respons på svake mikrobølgefelt ved å introdusere en moderat og lett avstemt hjelpemikrobølge. Resultatet gjorde ordningen gjeldende for større diamantsensorer med forbedret følsomhet med store praktiske fordeler.
Gjennomføring av eksperimenter og optimalisering av følsomheten
Elektronspinnet for nitrogenvakans opprettholdt en trippel grunntilstand bestående av en lys tilstand og to degenererte mørke tilstander som kan løftes av et eksternt magnetfelt. Teamet fjernet de kompliserte kontrollpulsene for å utføre eksperimentene på et enkelt oppsett. Under arbeidet brukte de en optisk sammensatt parabolkonsentrator for å øke fluorescensoppsamlingseffektivitet. Som bevis på konseptet strålte forskerne ut signal- og hjelpemikrobølger fra en sløyfeantenne med 5 mm diameter, og brukte en eksternt magnetfelt vinkelrett på diamantoverflaten til alle NV-sentre for å ha samme Zeeman splittings.
Optimal følsomhet. (A) Avhengighet av respons på hjelpemikrobølgefelt. Punkter er eksperimentelle resultater, der feilstreker indikerer RMS for baseline i Fourier-transformasjonsspektra rundt δ = 480 Hz med et spenn på 0,1 Hz. Den heltrukne linjen er den teoretiske beregningen i henhold til lign. 16 i Materialer og metoder. (B) Avhengighet av følsomhet på heterodyne frekvens δ. Følsomheten er normalisert i henhold til deteksjonsbåndbredden. Det røde området indikerer det optimale frekvensvinduet rundt 480 Hz. Det blå området indikerer den estimerte støybegrensede følsomheten. (C) Benchmark for følsomhet. Fourier-transformasjonsspekteret tilsvarer et signalmikrobølgefelt på 6,81 pT. Den totale måletiden er 1000 s. Den målte SNR på 24,2 tilsvarer en følsomhet på 8,9 pT Hz−1/2. Her er hjelpemikrobølgefeltet 220 nT med δ = 480 Hz. Kreditt: Vitenskapens fremskritt (2022). DOI: 10.1126/sciadv.abq8158
Under eksperimentet brukte teamet først en enkanals resonansmikrobølge. De brukte deretter en hjelpemikrobølge og hentet ut frekvensen for å oppnå forskjellen mellom de to mikrobølgene, sammen med signalet til heterodyn måling. Forskerteamet optimaliserte sensorens ytelse ved å forbedre signal-til-støyforhold. Siden laseren opprettholdt en sterk støy i et lavfrekvensbånd, økte teamet heterodyne-frekvensen for å unngå denne effekten. Forskerne målte deretter intuitivt følsomheten til sensoren og tok også hensyn til frekvensoppløsningen så vel som deteksjonsbåndbredden.
Outlook
På denne måten viste Zeching Wang og kollegene muligheten for å bruke ledige nitrogensentre som svært følsomme sensorer for mikrobølgemagnetometri selv i fravær av spinnkontroller. Metoden var avhengig av resonansabsorpsjon av mikrobølger, tilrettelagt av nitrogenfrie stillinger. De brukte ordningen på et diamant-vert for nitrogen-ensemble for å oppnå et minimum påvisbart mikrobølgefelt. Enkelheten i opplegget gjør at målingene kan reproduseres direkte på større sensorer for ytterligere forbedret følsomhet. For eksempel, med diamanter som har samme størrelse som fotodioden, kan følsomheten økes til femtotesla-nivået. Økt nitrogen ledighetstetthet forbedret den generelle følsomheten, selv om en økning i avslapningstilstand og problemer med laseroppvarming måtte balanseres.
Linjebredde og båndbredde. (A) Avhengighet av linjebredde på den totale måletiden. De blå punktene er eksperimentelle resultater hentet fra Lorentz-pasningene til Fourier-transformspektra. Den røde linjen indikerer 1/t-skaleringen. (B) Intuitivt konsept for båndbreddeforlengelse. Diamant-“mikseren” har en smalbåndsrespons på inngangsmikrobølgen, der båndet er sentrert på frekvensen til hjelpemikrobølgen. Hvis vi kaskaderer flere miksere med forskjellige hjelpemikrobølger, vil båndet utvides tilsvarende. (C) Målinger av båndbredde. Alle grupper av målinger er normalisert for bedre sammenligning av båndbredden. Den utvidede båndbredden består av ODMR-linjebredden. au, vilkårlige enheter. Kreditt: Vitenskapens fremskritt (2022). DOI: 10.1126/sciadv.abq8158
Arbeidet har en langvarig innvirkning for praktiske anvendelser av diamantsensorer som mikrobølgeovn mottakere i radarer under trådløs kommunikasjon og i radioteleskoper. Diamantenheten kan også fungere under ekstremt høy temperatur eller trykk med ekstra kapasitet for å lette utviklingen av et on-chip diamantmagnetometer.
Demonstrasjon av diamantkjernefysisk spinngyroskop
Zhecheng Wang et al, Picotesla magnetometri av mikrobølgefelt med diamantsensorer, Vitenskapens fremskritt (2022). DOI: 10.1126/sciadv.abq8158
Donggyu Kim et al, En CMOS-integrert kvantesensor basert på nitrogen-ledighetssentre, Naturelektronikk (2019). DOI: 10.1038/s41928-019-0275-5
© 2022 Science X Network
Sitering: Picotesla-magnetometri av mikrobølgefelt med diamantsensorer (2022, 19. september) hentet 19. september 2022 fra https://phys.org/news/2022-09-picotesla-magnetometry-microwave-fields-diamond.html
Dette dokumentet er underlagt opphavsrett. Bortsett fra enhver rettferdig handel for formålet med private studier eller forskning, kan ingen del reproduseres uten skriftlig tillatelse. Innholdet er kun gitt for informasjonsformål.