Elmas sensörlü mikrodalga alanlarının Picotesla manyetometrisi

Elmas sensörlü mikrodalga alanlarının Picotesla manyetometrisi

Bilim Gelişmeleri (2022). DOI: 10.1126/sciadv.abq8158″ width=”800″ height=”530″/>

Sürekli heterodin tespitinin temel prensibi. (A) NV merkezlerinin basitleştirilmiş enerji seviyeleri. ∣±1〉 durumları, Γp oranında ∣0〉 durumuna polarize edilebilir. Rezonanslı bir mikrodalga, ∣0〉 ↔ ∣1〉 dönüş geçişini ele alır. (B) Farklı büyüklüklerdeki mikrodalgalar tarafından yönlendirilen NV merkezinin evrimi. Güçlü bir mikrodalga için, spin durumu, mikrodalga büyüklüğü ile orantılı frekans Ω ile ∣0〉 ve ∣1〉 arasında bir Rabi salınımı gösterir. Zayıf bir mikrodalga için, salınım, mikrodalga büyüklüğünün karesiyle orantılı bir oranda üstel bir bozulmaya dönüşür. (C ve D) Doğrudan ve heterodin algılamanın karşılaştırılması. Lazer kaynaklı polarizasyon ve mikrodalga kaynaklı gevşeme arasındaki rekabet, bir denge spin durumuna yol açar. Doğrudan algılama (C) için, sabit mikrodalga büyüklüğü DC floresan sinyali ile sonuçlanır. Heterodin tespiti (D) için, mikrodalga girişimi zamanla değişen bir büyüklük ve dolayısıyla bir AC floresan sinyali ile sonuçlanır. Kredi: Bilim Gelişmeleri (2022). DOI: 10.1126/sciadv.abq8158

Mikrodalga alan sensörleri, astronomi ve iletişim mühendisliğindeki çeşitli uygulamalar için pratikte önemlidir. Elmastaki nitrojen boşluk merkezi, manyetometrik hassasiyet, kararlılık ve ortam koşullarıyla uyumluluk sağlar. Buna rağmen, mevcut nitrojen boşluk merkezi tabanlı manyetometreler mikrodalga bandında sınırlı hassasiyete sahiptir.

Şimdi yayınlanan yeni bir raporda Bilim Gelişmeleri, Zeching Wang ve Çin Bilim ve Teknoloji Üniversitesi’nden bir bilim adamları ekibi, döndürme kontrollerinin yokluğunda sensörün zayıf mikrodalgalara tepkisini iyileştirmek için sürekli, heterodin algılama şeması sundu. Ekip, 8,9 pTHz hassasiyete ulaştı-1/2 Mikrodalgalar için, belirli bir sensör hacmi içinde bir dizi nitrojen boşluk merkezi aracılığıyla. Çalışma, elmas tabanlı mikrodalga sensörlerinin pratik uygulamalarından faydalanabilir.

Mikrodalga algılamanın gelişmiş uygulamaları

Kablosuz iletişimden elektron paramanyetik rezonansa ve astronomik gözlemlere kadar değişen çoğu modern uygulamanın hassasiyeti, mikro alan algılama yöntemlerindeki gelişmelerle geliştirilebilir. Araştırmacılar, son on yılda gelişmiş yeteneklere sahip çeşitli kuantum sensörleri geliştirdiler. Bunlar arasında, nitrojen boşluk merkezi, nispeten düşük hassasiyetten muzdarip olmasına rağmen, çip üzerinde algılama için benzersiz özellikleri ile tanımlanır. Bilim adamları, elmas manyetometrenin hassasiyetini önemli ölçüde artırmak için nitrojen boşluk setlerini kullanabilirler.

Bu çalışmada, Wang ve diğerleri, orta ve hafif ayarsız bir yardımcı mikrodalga tanıtarak sensörün zayıf mikrodalga alanlarına tepkisini iyileştirmek için sürekli bir heterodin algılama şeması önerdiler. Sonuç, şemayı büyük pratik faydalarla geliştirilmiş hassasiyete sahip daha büyük elmas sensörlere uygulanabilir hale getirdi.

Deneylerin yapılması ve duyarlılığın optimize edilmesi

Azot boşluğu elektron dönüşü, bir parlak durum ve bir harici manyetik alan tarafından kaldırılabilen iki dejenere karanlık durumdan oluşan üçlü bir temel durumu sürdürdü. Ekip, deneyleri basit bir kurulum üzerinde gerçekleştirmek için karmaşık kontrol darbelerini kaldırdı. Çalışma sırasında, floresan toplama verimliliğini artırmak için optik bir bileşik parabolik yoğunlaştırıcı kullandılar. Kavramın kanıtı olarak, araştırmacılar 5 mm çaplı bir döngü anteninden sinyal ve yardımcı mikrodalgalar yaydı ve aynı Zeeman bölmelerine sahip olmak için tüm NV merkezlerinin elmas yüzeyine dik bir harici manyetik alan uyguladılar.

Elmas sensörlü mikrodalga alanlarının Picotesla manyetometrisiScience Advances (2022). DOI: 10.1126/sciadv.abq8158″/>

Optimum hassasiyet. (A) Duyarlılığın yardımcı mikrodalga alanına bağımlılığı. Noktalar, hata çubuklarının 0,1 Hz’lik bir aralıkla δ = 480 Hz civarında Fourier dönüşüm spektrumundaki taban çizgisinin RMS’sini gösterdiği deneysel sonuçlardır.Dolu çizgi, Denk.3’e göre teorik hesaplamadır. 16 Malzeme ve Yöntemler. (B) Duyarlılığın heterodin frekansına δ bağımlılığı. Duyarlılık, algılama bant genişliğine göre normalleştirilir. Kırmızı alan, 480 Hz civarındaki optimum frekans penceresini gösterir.Mavi alan, tahmini atış gürültüsü sınırlı hassasiyeti gösterir. (C) Duyarlılık ölçütü. Fourier dönüşüm spektrumu, 6.81 pT’lik bir sinyal mikrodalga alanına karşılık gelir. Toplam ölçüm süresi 1000 s’dir. 24.2 ölçülen SNR, 8.9 pT Hz−1/2 hassasiyete karşılık gelir. Burada yardımcı mikrodalga alanı δ = 480 Hz ile 220 nT’dir. Bilim Gelişmeleri (2022). DOI: 10.1126/sciadv.abq8158

Deney sırasında ekip önce tek kanallı bir rezonans mikrodalga uyguladı. Daha sonra yardımcı bir mikrodalga uyguladılar ve heterodin ölçüm sinyalinin yanı sıra iki mikrodalga arasındaki farkı elde etmek için frekansı çıkardılar. Araştırma ekibi, sinyal-gürültü oranını iyileştirerek sensörün performansını optimize etti. Lazer, düşük frekans bandında güçlü bir ses çıkardığından, ekip bu etkiyi önlemek için heterodin frekansını artırdı. Araştırmacılar daha sonra sensörün hassasiyetini sezgisel olarak kıyasladı ve ayrıca algılama bant genişliğinin yanı sıra frekans çözünürlüğünü de hesaba kattı.

Görünüm

Bu şekilde, Zeching Wang ve meslektaşları, spin kontrollerinin yokluğunda bile mikrodalga manyetometrisi için son derece hassas sensörler olarak nitrojen boşluk merkezlerini kullanma olasılığını gösterdiler. Yöntem, nitrojen boşluk merkezleri tarafından kolaylaştırılan mikrodalgaların rezonans absorpsiyonuna bağlıydı. Minimum tespit edilebilir bir mikrodalga alanı elde etmek için planı bir elmas barındıran nitrojen boşluğu grubuna uyguladılar. Şemanın basitliği, daha fazla gelişmiş hassasiyet için ölçümlerin daha büyük sensörlerde doğrudan yeniden üretilmesine izin verir. Örneğin, fotodiyota benzer bir boyuta sahip elmaslarla, hassasiyet femtotesla seviyesine yükseltilebilir. Artan nitrojen boşluk yoğunluğu, genel duyarlılığı iyileştirdi, ancak gevşeme durumundaki artış ve lazerle ısıtma sorunlarının dengelenmesi gerekiyordu.

Elmas sensörlü mikrodalga alanlarının Picotesla manyetometrisiBilim Gelişmeleri (2022). DOI: 10.1126/sciadv.abq8158″/>

Hat genişliği ve bant genişliği. (A) Hat genişliğinin toplam ölçüm süresine bağımlılığı. Mavi noktalar, Fourier dönüşüm spektrumunun Lorentz uyumlarından çıkarılan deneysel sonuçlardır. Kırmızı çizgi 1/t ölçeğini gösterir. (B) Sezgisel bant genişliği genişletme konsepti. Elmas “karıştırıcı”, bandın yardımcı mikrodalga frekansında ortalandığı giriş mikrodalgasına dar bir bant tepkisine sahiptir. Farklı yardımcı mikrodalgalara sahip birden fazla karıştırıcıyı basamaklandırırsak, bant buna göre genişletilecektir. (C) Bant genişliği ölçümleri. Bant genişliğinin daha iyi karşılaştırılması için tüm ölçüm grupları normalleştirilmiştir. Genişletilmiş bant genişliği, ODMR satır genişliğinden oluşur. au, keyfi birimler. Kredi: Bilim Gelişmeleri (2022). DOI: 10.1126/sciadv.abq8158

Çalışma, kablosuz iletişim sırasında radarlarda ve radyo teleskoplarında mikrodalga alıcıları olarak elmas sensörlerin pratik uygulamaları için uzun süredir devam eden bir etkiye sahiptir. Elmas cihaz ayrıca, bir çip üstü elmas manyetometrenin geliştirilmesini kolaylaştırmak için ek kapasite ile aşırı yüksek sıcaklık veya basınç altında da çalışabilir.


Elmas nükleer spin jiroskopunun gösterilmesi


Daha fazla bilgi:
Zhecheng Wang ve diğerleri, elmas sensörlü mikrodalga alanlarının Picotesla manyetometrisi, Bilim Gelişmeleri (2022). DOI: 10.1126/sciadv.abq8158

Donggyu Kim ve diğerleri, nitrojen boşluk merkezlerine dayalı bir CMOS entegre kuantum sensörü, Doğa Elektroniği (2019). DOI: 10.1038/s41928-019-0275-5

© 2022 Bilim X Ağı

Alıntı: Elmas sensörlü mikrodalga alanların Picotesla manyetometrisi (2022, 19 Eylül), 22 Eylül 2022’de https://phys.org/news/2022-09-picotesla-magnetometry-microwave-fields-diamond.html adresinden alınmıştır.

Bu belge telif haklarına tabidir. Özel çalışma veya araştırma amaçlı herhangi bir adil işlem dışında, yazılı izin alınmadan hiçbir bölüm çoğaltılamaz. İçerik yalnızca bilgi amaçlı sağlanmıştır.