Magnetometría picotesla de campos de microondas con sensores de diamante

Principio básico de la detección heterodina continua. (A) Niveles de energía simplificados de los centros NV. Los estados ∣±1〉 se pueden polarizar al estado ∣0〉 con una tasa de Γp. Un microondas resonante aborda la transición de espín ∣0〉 ↔ ∣1〉. (B) Evolución del centro NV impulsado por microondas de diferentes magnitudes. Para un microondas fuerte, el estado de espín muestra una oscilación Rabi entre ∣0〉 y ∣1〉 con una frecuencia Ω proporcional a la magnitud del microondas. Para un microondas débil, la oscilación se degrada a un decaimiento exponencial con una tasa proporcional al cuadrado de la magnitud del microondas. (C y D) Comparación de detección directa y heterodina. La competencia entre la polarización inducida por láser y la relajación inducida por microondas conduce a un estado de espín de equilibrio. Para la detección directa (C), la magnitud de microondas constante da como resultado una señal de fluorescencia de CC. Para la detección heterodina (D), la interferencia de microondas da como resultado una magnitud variable en el tiempo y, por lo tanto, una señal de fluorescencia de CA. Crédito:Avances científicos (2022). DOI:10.1126/sciadv.abq8158

Los sensores de campo de microondas son importantes en la práctica para una variedad de aplicaciones en astronomía e ingeniería de comunicaciones. El centro de vacancia de nitrógeno en diamante permite sensibilidad magnetométrica, estabilidad y compatibilidad con las condiciones ambientales. A pesar de eso, los magnetómetros basados en el centro de vacantes de nitrógeno existentes tienen una sensibilidad limitada en la banda de microondas.

En un nuevo informe publicado ahora en Science Advances , Zeching Wang y un equipo de científicos de la Universidad de Ciencia y Tecnología de China, presentaron un esquema de detección heterodino continuo para mejorar la respuesta del sensor a las microondas débiles en ausencia de controles de giro. El equipo logró una sensibilidad de 8,9 pTHz^-1/2 para microondas a través de un conjunto de centros vacantes de nitrógeno dentro de un volumen de sensor específico. El trabajo puede beneficiar las aplicaciones prácticas de los sensores de microondas basados en diamantes.

Aplicaciones avanzadas de detección por microondas

La sensibilidad de la mayoría de las aplicaciones modernas que van desde la comunicación inalámbrica hasta la resonancia paramagnética de electrones y las observaciones astronómicas se puede mejorar mediante avances en los métodos de detección de microcampos. Los investigadores ya han desarrollado una variedad de sensores cuánticos en la última década con capacidades mejoradas. Entre ellos, el centro de vacantes de nitrógeno se identifica por sus propiedades únicas para la detección en el chip, aunque adolece de una sensibilidad relativamente baja. Los científicos pueden utilizar conjuntos de vacantes de nitrógeno para mejorar sustancialmente la sensibilidad del magnetómetro de diamante.

En este trabajo, Wang y otros propusieron un esquema de detección heterodino continuo para mejorar la respuesta del sensor a campos de microondas débiles mediante la introducción de un microondas auxiliar moderado y ligeramente desafinado. El resultado hizo que el esquema fuera aplicable a sensores de diamante más grandes con sensibilidad mejorada y grandes beneficios prácticos.

Realización de los experimentos y optimización de la sensibilidad

El espín del electrón vacante de nitrógeno mantuvo un estado fundamental triplete que consiste en un estado brillante y dos estados oscuros degenerados que pueden ser levantados por un campo magnético externo. El equipo eliminó los pulsos de control complicados para realizar los experimentos en una configuración simple. Durante el trabajo, utilizaron un concentrador parabólico compuesto óptico para aumentar la eficiencia de recolección de fluorescencia. Como prueba de concepto, los investigadores irradiaron señales y microondas auxiliares desde una antena de cuadro de 5 mm de diámetro y aplicaron un campo magnético externo perpendicular a la superficie del diamante de todos los centros NV para tener las mismas divisiones de Zeeman.

Sensibilidad óptima. (A) Dependencia de la capacidad de respuesta en el campo de microondas auxiliar. Los puntos son resultados experimentales, donde las barras de error indican el RMS de la línea de base en los espectros de transformada de Fourier alrededor de δ =480 Hz con un intervalo de 0,1 Hz. La línea continua es el cálculo teórico según la Ec. 16 en Materiales y Métodos. (B) Dependencia de la sensibilidad en la frecuencia heterodina δ. La sensibilidad se normaliza según el ancho de banda de detección. El área roja indica la ventana de frecuencia óptima alrededor de 480 Hz. El área azul indica la sensibilidad limitada por ruido de disparo estimada. (C) Punto de referencia de la sensibilidad. El espectro de la transformada de Fourier corresponde a un campo de microondas de señal de 6,81 pT. El tiempo total de medición es de 1000 s. La SNR medida de 24,2 corresponde a una sensibilidad de 8,9 pT Hz−1/2. Aquí, el campo de microondas auxiliar es de 220 nT con δ =480 Hz. Crédito:Avances científicos (2022). DOI:10.1126/sciadv.abq8158

Durante el experimento, el equipo aplicó primero un microondas resonante de un solo canal. Luego aplicaron una microondas auxiliar y extrajeron la frecuencia para obtener la diferencia de las dos microondas, junto con la señal de la medida heterodina. El equipo de investigación optimizó el rendimiento del sensor mejorando la relación señal-ruido. Dado que el láser mantenía un fuerte ruido en una banda de baja frecuencia, el equipo aumentó la frecuencia heterodina para evitar este efecto. Luego, los investigadores compararon intuitivamente la sensibilidad del sensor y también tuvieron en cuenta la resolución de frecuencia y el ancho de banda de detección.

Perspectiva

De esta forma, Zeching Wang y sus colegas mostraron la posibilidad de utilizar centros de vacantes de nitrógeno como sensores altamente sensibles para la magnetometría de microondas, incluso en ausencia de controles de espín. El método dependía de la absorción resonante de microondas, facilitada por centros vacantes de nitrógeno. Aplicaron el esquema a un conjunto de vacantes de nitrógeno que alberga un diamante para lograr un campo de microondas mínimo detectable. La simplicidad del esquema permite que las mediciones se reproduzcan directamente en sensores más grandes para mejorar aún más la sensibilidad. Por ejemplo, con diamantes que tienen un tamaño similar al del fotodiodo, la sensibilidad se puede promover al nivel de femtotesla. El aumento de la densidad de vacantes de nitrógeno mejoró la sensibilidad general, aunque hubo que equilibrar un aumento en el estado de relajación y los problemas de calentamiento por láser.

Ancho de línea y ancho de banda. (A) Dependencia del ancho de línea en el tiempo total de medición. Los puntos azules son resultados experimentales extraídos de los ajustes de Lorentz de los espectros de transformada de Fourier. La línea roja indica la escala 1/t. (B) Concepto intuitivo de extensión de ancho de banda. El “mezclador” de diamantes tiene una respuesta de banda estrecha al microondas de entrada, donde la banda está centrada en la frecuencia del microondas auxiliar. Si conectamos en cascada varios mezcladores con diferentes microondas auxiliares, la banda se extenderá en consecuencia. (C) Medidas de ancho de banda. Todos los grupos de medidas están normalizados para una mejor comparación del ancho de banda. El ancho de banda extendido consta del ancho de línea ODMR. a.u., unidades arbitrarias. Crédito:Avances científicos (2022). DOI:10.1126/sciadv.abq8158

El trabajo tiene un impacto de larga data para aplicaciones prácticas de sensores de diamante como receptores de microondas en radares durante la comunicación inalámbrica y en radiotelescopios. El dispositivo de diamante también puede funcionar a temperaturas o presiones extremadamente altas con capacidad adicional para facilitar el desarrollo de un magnetómetro de diamante en chip. + Explora más