Основной принцип непрерывного гетеродинного детектирования. (A) Упрощенные энергетические уровни NV-центров. Состояния ∣±1〉 могут быть поляризованы в состояние ∣0〉 со скоростью Γp. Резонансная микроволновая печь обращается к спиновому переходу ∣0〉 ↔ ∣1〉. (B) Эволюция центра NV, управляемая микроволнами разной величины. Для сильной микроволны спиновое состояние показывает осцилляции Раби между ∣0〉 и ∣1〉 с частотой Ω, пропорциональной величине микроволны. Для слабой микроволны колебание ухудшается до экспоненциального затухания со скоростью, пропорциональной квадрату величины микроволны. (C и D) Сравнение прямого и гетеродинного обнаружения. Конкуренция между поляризацией, индуцированной лазером, и релаксацией, индуцированной микроволновым излучением, приводит к равновесному спиновому состоянию. Для прямого обнаружения (C) постоянная амплитуда микроволн приводит к флуоресцентному сигналу постоянного тока. При гетеродинном обнаружении (D) микроволновая интерференция приводит к изменяющейся во времени величине и, следовательно, к флуоресцентному сигналу переменного тока. Кредит:Научные достижения (2022). DOI: 10.1126/sciadv.abq8158

Датчики микроволнового поля важны на практике для различных приложений в астрономии и технике связи. Центр азотных вакансий в алмазе обеспечивает магнитометрическую чувствительность, стабильность и совместимость с условиями окружающей среды. Несмотря на это, существующие магнитометры на основе азотных вакансионных центров имеют ограниченную чувствительность в микроволновом диапазоне.

В новом отчете, опубликованном в журнале Science Advances, Зечинг Ван и группа ученых из Университета науки и технологий Китая представили схему непрерывного гетеродинного обнаружения для улучшения реакции датчика на слабые микроволны при отсутствии контроля вращения. Команда достигла чувствительности 8,9 пТГц -1/2 для микроволн с помощью ансамбля центров азотных вакансий в пределах определенного объема датчика. Работа может принести пользу в практическом применении микроволновых датчиков на основе алмазов.

Расширенные применения микроволнового зондирования

Чувствительность большинства современных приложений, которые варьируются от беспроводной связи до электронного парамагнитного резонанса и астрономических наблюдений, может быть улучшена за счет достижений в методах обнаружения микрополя. За последнее десятилетие исследователи уже разработали множество квантовых датчиков с расширенными возможностями. Среди них центр вакансий азота идентифицируется своими уникальными свойствами для обнаружения на кристалле, хотя он имеет относительно низкую чувствительность. Ученые могут использовать ансамбли вакансий азота, чтобы существенно улучшить чувствительность алмазного магнитометра.

В этой работе Ван и другие предложили непрерывную гетеродинную схему обнаружения для улучшения реакции датчика на слабые микроволновые поля за счет введения умеренной и слегка расстроенной вспомогательной микроволны. Результат сделал схему применимой к более крупным алмазным датчикам с улучшенной чувствительностью и большими практическими преимуществами.

Проведение экспериментов и оптимизация чувствительности

Электронный спин азотной вакансии поддерживал триплетное основное состояние, состоящее из светлого состояния и двух вырожденных темных состояний, которые могут быть подняты внешним магнитным полем. Команда убрала сложные управляющие импульсы, чтобы провести эксперименты на простой установке. В ходе работы они использовали оптический составной параболический концентратор для повышения эффективности сбора флуоресценции . В качестве доказательства концепции исследователи излучали сигнальные и вспомогательные микроволны от рамочной антенны диаметром 5 мм и прикладывали внешнее магнитное поле, перпендикулярное поверхности алмаза всех NV-центров, чтобы получить одинаковые зеемановские расщепления.

Оптимальная чувствительность. (A) Зависимость чувствительности от вспомогательного микроволнового поля. Точки — экспериментальные результаты, где планки погрешностей указывают среднеквадратичное значение базовой линии в спектрах преобразования Фурье около δ = 480 Гц с размахом 0,1 Гц. Сплошная линия — теоретический расчет по уравнению. 16 в материалах и методах. (Б) Зависимость чувствительности от частоты гетеродина δ. Чувствительность нормализована в соответствии с шириной полосы обнаружения. Красная область указывает оптимальное частотное окно около 480 Гц. Синяя область указывает расчетную чувствительность, ограниченную дробовым шумом. (C) Эталон чувствительности. Спектр преобразования Фурье соответствует СВЧ-полю сигнала 6,81 пТл. Общее время измерения составляет 1000 с. Измеренный SNR 24,2 соответствует чувствительности 8,9 пТл Гц-1/2. Здесь, вспомогательное микроволновое поле 220 нТл при δ = 480 Гц. Кредит:Научные достижения (2022). DOI: 10.1126/sciadv.abq8158

Во время эксперимента команда впервые применила одноканальную резонансную микроволновую печь. Затем они применили вспомогательную микроволновую печь и извлекли частоту, чтобы получить разницу двух микроволн вместе с сигналом гетеродинного измерения. Исследовательская группа оптимизировала работу датчика, улучшив соотношение сигнал /шум. Поскольку лазер создавал сильный шум в низкочастотном диапазоне, команда увеличила частоту гетеродина, чтобы избежать этого эффекта. Затем исследователи интуитивно оценили чувствительность датчика, а также приняли во внимание разрешение по частоте и ширину полосы обнаружения.

Перспектива

Таким образом, Zeching Wang и его коллеги показали возможность использования центров вакансий азота в качестве высокочувствительных датчиков для микроволновой магнитометрии даже при отсутствии контроля вращения. Метод основан на резонансном поглощении микроволн, которому способствуют центры азотных вакансий. Они применили эту схему к ансамблю вакансий азота, содержащему алмаз, для достижения минимального обнаруживаемого микроволнового поля. Простота схемы позволяет напрямую воспроизводить измерения на более крупных датчиках для дальнейшего повышения чувствительности. Например, с бриллиантами, имеющими размер, аналогичный размеру фотодиода, чувствительность может быть повышена до уровня фемтотеслы. Повышенный азотплотность вакансий улучшила общую чувствительность, хотя необходимо было сбалансировать увеличение состояния релаксации и проблемы с лазерным нагревом.

Ширина линии и пропускная способность. (A) Зависимость ширины линии от общего времени измерения. Синие точки представляют собой экспериментальные результаты, извлеченные из лоренцевских подгонок спектров преобразования Фурье. Красная линия указывает на масштабирование 1/t. (B) Интуитивная концепция расширения полосы пропускания. Алмазный «смеситель» имеет узкополосный отклик на входную микроволну, где полоса сосредоточена на частоте вспомогательной микроволны. Если мы каскадируем несколько микшеров с разными вспомогательными микроволнами, диапазон будет соответственно расширен. (C) Измерения ширины полосы. Все группы измерений нормированы для лучшего сравнения полос пропускания. Расширенная полоса пропускания состоит из ширины линии ODMR. а.е., условные единицы. Предоставлено: Научные достижения (2022 г.). DOI: 10.1126/sciadv.abq8158

Работа имеет давнее влияние на практическое применение алмазных датчиков в качестве микроволновых приемников в радарах во время беспроводной связи и в радиотелескопах. Алмазное устройство также может работать при чрезвычайно высокой температуре или давлении с дополнительными возможностями для облегчения разработки алмазного магнитометра на кристалле.

Ссылки по теме:

• Источник: Phys.org