Picotesla-magnetometri af mikrobølgefelter med diamantsensorer

Mikrobølgefeltsensorer er vigtige i praksis til en række applikationer på tværs af astronomi og kommunikationsteknik. Nitrogen-tomgangscentret i diamant tillader magnetometrisk følsomhed, stabilitet og kompatibilitet med omgivende forhold. På trods af det har de eksisterende nitrogen-tomgangscenter-baserede magnetometre begrænset følsomhed i mikrobølgebåndet.

I en ny rapport, der nu er offentliggjort i Science Advances , Zeching Wang og et team af forskere ved University of Science and Technology i Kina, præsenterede et kontinuerligt, heterodyn detektionsskema for at forbedre sensorens reaktion på svage mikrobølger i fravær af spin-kontroller. Holdet opnåede en følsomhed på 8,9 pTHz ^-1/2 til mikrobølger via et ensemble af nitrogenfritidscentre inden for et specificeret sensorvolumen. Arbejdet kan gavne praktiske anvendelser af diamantbaserede mikrobølgesensorer.

Avancerede anvendelser af mikrobølgesensor

Følsomheden af ​​de fleste moderne applikationer, der spænder fra trådløs kommunikation til elektronparamagnetisk resonans og astronomiske observationer, kan forbedres via fremskridt inden for mikrofeltdetektionsmetoder. Forskere har allerede udviklet en række kvantesensorer i det sidste årti med forbedrede muligheder. Blandt dem er nitrogen-fritidscentret identificeret ved dets unikke egenskaber til on-chip-detektion, selvom det lider af relativt lav følsomhed. Forskere kan bruge nitrogen-ensembler til at forbedre følsomheden af ​​diamantmagnetometeret væsentligt.

I dette arbejde foreslog Wang og andre et kontinuerligt heterodyndetektionsskema for at forbedre sensorens reaktion på svage mikrobølgefelter ved at indføre en moderat og let afstemt hjælpemikrobølge. Resultatet gjorde ordningen gældende for større diamantsensorer med forbedret følsomhed med store praktiske fordele.

Udførelse af eksperimenter og optimering af følsomheden

Nitrogen-tomgangselektronspindet opretholdt en triplet jordtilstand bestående af en lys tilstand og to degenererede mørke tilstande, der kan løftes af et eksternt magnetfelt. Holdet fjernede de komplicerede kontrolimpulser for at udføre eksperimenterne på en simpel opsætning. Under arbejdet brugte de en optisk sammensat parabolkoncentrator for at øge effektiviteten af ​​fluorescensopsamlingen. Som bevis på konceptet udstrålede forskerne signal- og hjælpemikrobølger fra en 5 mm-diameter sløjfeantenne og påførte et eksternt magnetfelt vinkelret på diamantoverfladen af ​​alle NV-centre for at få de samme Zeeman-spaltninger.

Under eksperimentet anvendte holdet først en enkeltkanals resonansmikrobølge. De anvendte derefter en hjælpemikrobølge og ekstraherede frekvensen for at opnå forskellen mellem de to mikrobølger sammen med signalet fra den heterodyne måling. Forskerholdet optimerede sensorens ydeevne ved at forbedre signal-til-støj-forholdet. Da laseren opretholdt en stærk støj i et lavfrekvensbånd, øgede holdet den heterodyne frekvens for at undgå denne effekt. Forskerne målte derefter intuitivt sensorens følsomhed og tog også højde for frekvensopløsningen samt detektionsbåndbredden.

Outlook

På denne måde viste Zeching Wang og kolleger muligheden for at bruge nitrogen-fritidscentre som meget følsomme sensorer til mikrobølgemagnetometri selv i fravær af spin-kontroller. Metoden var afhængig af resonansabsorptionen af ​​mikrobølger, lettet af nitrogenfritidscentre. De anvendte ordningen på en diamant-hosting nitrogen-ensemble for at opnå et minimum påvisbart mikrobølgefelt. Enkelheden af ​​skemaet gør det muligt at gengive målingerne direkte på større sensorer for yderligere forbedret følsomhed. For eksempel, med diamanter, der har en størrelse svarende til fotodioden, kan følsomheden fremmes til femtotesla-niveauet. Øget nitrogen-tomrumsdensitet forbedrede den overordnede følsomhed, selvom en stigning i afslapningstilstand og problemer med laseropvarmning skulle afbalanceres.

Arbejdet har en langvarig betydning for praktiske anvendelser af diamantsensorer som mikrobølgemodtagere i radarer under trådløs kommunikation og i radioteleskoper. Diamantenheden kan også fungere under ekstremt høj temperatur eller tryk med ekstra kapacitet for at lette udviklingen af ​​et on-chip diamantmagnetometer. + Udforsk yderligere

Demonstration af diamant nuklear spin gyroskop

© 2022 Science X Network