Grundprincipen för kontinuerlig heterodyndetektering. (A) Förenklade energinivåer för NV-centra. ∣±1〉-tillstånden kan polariseras till ∣0〉-tillstånd med en hastighet av Γp. En resonansmikrovåg adresserar ∣0〉 ↔ ∣1〉 spinövergången. (B) Utveckling av NV-centret som drivs av mikrovågor av olika storlek. För en stark mikrovågsugn visar spinntillståndet en Rabi-oscillation mellan ∣0〉 och ∣1〉 med frekvensen Ω proportionell mot mikrovågsstorleken. För en svag mikrovåg degraderas oscillationen till en exponentiell avklingning med en hastighet som är proportionell mot kvadraten på mikrovågsstorleken. (C och D) Jämförelse av direkt och heterodyn detektion. Konkurrensen mellan laserinducerad polarisation och mikrovågsinducerad avslappning leder till ett jämviktsspintillstånd. För direkt detektion (C) resulterar konstant mikrovågsstyrka i DC-fluorescenssignal. För heterodyndetektering (D) resulterar mikrovågsinterferensen i en tidsvarierande storlek och därmed en AC-fluorescenssignal. Kredit:Science Advances (2022). DOI:10.1126/sciadv.abq8158
Mikrovågsfältsensorer är viktiga i praktiken för en mängd olika tillämpningar inom astronomi och kommunikationsteknik. Kvävevakanscentret i diamant möjliggör magnetometrisk känslighet, stabilitet och kompatibilitet med omgivande förhållanden. Trots det har de befintliga kvävevakanscenterbaserade magnetometrarna begränsad känslighet i mikrovågsbandet.
I en ny rapport som nu publicerats i Science Advances , Zeching Wang och ett team av forskare vid University of Science and Technology i Kina, presenterade ett kontinuerligt, heterodynt detektionsschema för att förbättra sensorns svar på svaga mikrovågor i frånvaro av spinnkontroller. Teamet uppnådde en känslighet på 8,9 pTHz -1/2 för mikrovågor via en ensemble av vakanscentra för kväve inom en specificerad sensorvolym. Arbetet kan gynna praktiska tillämpningar av diamantbaserade mikrovågssensorer.
Avancerade tillämpningar av mikrovågsavkänning
Känsligheten hos de flesta moderna applikationer som sträcker sig från trådlös kommunikation till elektronparamagnetisk resonans och astronomiska observationer kan förbättras genom framsteg inom mikrofältdetektionsmetoder. Forskare har redan utvecklat en mängd olika kvantsensorer under det senaste decenniet med förbättrade möjligheter. Bland dem identifieras vakanscentret för kväve genom sina unika egenskaper för detektering på chip, även om det lider av relativt låg känslighet. Forskare kan använda kvävevakansensembler för att avsevärt förbättra diamantmagnetometerns känslighet.
I detta arbete föreslog Wang och andra ett kontinuerligt heterodyndetektionsschema för att förbättra sensorns svar på svaga mikrovågsfält genom att introducera en måttlig och lätt avstämd hjälpmikrovåg. Resultatet gjorde schemat tillämpbart på större diamantsensorer med förbättrad känslighet med stora praktiska fördelar.
Genomföra experimenten och optimera känsligheten
Kvävevakanselektronspinnet bibehöll ett trippelgrundtillstånd bestående av ett ljust tillstånd och två degenererade mörka tillstånd som kan lyftas av ett externt magnetfält. Teamet tog bort de komplicerade kontrollpulserna för att utföra experimenten på en enkel installation. Under arbetet använde de en optisk sammansatt parabolkoncentrator för att öka effektiviteten för uppsamling av fluorescens. Som bevis på konceptet utstrålade forskarna signal- och hjälpmikrovågor från en 5 mm-diameter slingantenn och applicerade ett externt magnetfält vinkelrätt mot diamantytan på alla NV-centra för att få samma Zeeman-splittringar.
Optimal känslighet. (A) Beroende av respons på hjälpmikrovågsfält. Punkter är experimentella resultat, där felstaplar indikerar RMS för baslinjen i Fourier-transformspektra runt δ =480 Hz med ett spann på 0,1 Hz. Den heldragna linjen är den teoretiska beräkningen enligt Ekv. 16 i Material och metoder. (B) Beroende av känslighet på heterodyn frekvens δ. Känsligheten är normaliserad enligt detekteringsbandbredden. Det röda området indikerar det optimala frekvensfönstret runt 480 Hz. Det blå området indikerar den uppskattade känsligheten för skottbrus. (C) Benchmark för känslighet. Fouriertransformationsspektrumet motsvarar ett signalmikrovågsfält på 6,81 pT. Den totala mättiden är 1000 s. Det uppmätta SNR på 24,2 motsvarar en känslighet på 8,9 pT Hz−1/2. Här är hjälpmikrovågsfältet 220 nT med δ =480 Hz. Kredit:Science Advances (2022). DOI:10.1126/sciadv.abq8158
Under experimentet använde teamet först en enkanalig resonansmikrovågsugn. De applicerade sedan en extra mikrovågsugn och extraherade frekvensen för att erhålla skillnaden mellan de två mikrovågorna, tillsammans med signalen från heterodynmätningen. Forskargruppen optimerade sensorns prestanda genom att förbättra signal-brusförhållandet. Eftersom lasern bibehöll ett starkt brus i ett lågfrekvensband ökade teamet den heterodyna frekvensen för att undvika denna effekt. Forskarna jämförde sedan intuitivt sensorns känslighet och tog även hänsyn till frekvensupplösningen samt detekteringsbandbredden.
Outlook
På detta sätt visade Zeching Wang och kollegor möjligheten att använda kvävevakanscenter som mycket känsliga sensorer för mikrovågsmagnetometri även i frånvaro av spinnkontroller. Metoden berodde på resonansabsorptionen av mikrovågor, underlättad av kvävevakanscentra. De tillämpade schemat på en diamant som var värd för kvävevakansensemble för att uppnå ett minimalt detekterbart mikrovågsfält. Schemats enkelhet gör att mätningarna kan reproduceras direkt på större sensorer för ytterligare förbättrad känslighet. Till exempel, med diamanter som har en liknande storlek som fotodioden, kan känsligheten höjas till femtotesla-nivån. Ökad kvävevakansdensitet förbättrade den övergripande känsligheten, även om en ökning av avslappningstillstånd och problem med laseruppvärmning måste balanseras.
Linjebredd och bandbredd. (A) Beroende av linjebredd på den totala mättiden. De blå punkterna är experimentella resultat som extraherats från Lorentz-passningarna av Fourier-transformspektra. Den röda linjen indikerar 1/t-skalningen. (B) Intuitivt koncept för bandbreddsförlängning. Diamant-”mixern” har ett smalbandigt svar på ingångsmikrovågen, där bandet är centrerat på frekvensen för hjälpmikrovågen. Om vi kaskader flera blandare med olika hjälpmikrovågor, kommer bandet att utökas i enlighet med detta. (C) Mätningar av bandbredd. Alla grupper av mätningar är normaliserade för bättre jämförelse av bandbredden. Den utökade bandbredden består av ODMR-linjebredden. a.u., godtyckliga enheter. Kredit:Science Advances (2022). DOI:10.1126/sciadv.abq8158
Arbetet har en långvarig genomslagskraft för praktiska tillämpningar av diamantsensorer som mikrovågsmottagare i radar under trådlös kommunikation och i radioteleskop. Diamantanordningen kan också fungera under extremt hög temperatur eller tryck med extra kapacitet för att underlätta utvecklingen av en on-chip diamantmagnetometer. + Utforska vidare
© 2022 Science X Network
