Principio di base della rivelazione continua dell'eterodina. (A) Livelli energetici semplificati dei centri NV. Gli stati ∣±1〉 possono essere polarizzati allo stato ∣0〉 con una velocità di Γp. Un microonde risonante affronta la transizione di spin ∣0〉 ↔ ∣1〉. (B) Evoluzione del centro NV guidato da microonde di diverse grandezze. Per un microonde forte, lo stato di spin mostra un'oscillazione Rabi tra ∣0〉 e ∣1〉 con frequenza Ω proporzionale alla grandezza delle microonde. Per un microonde debole, l'oscillazione degrada a un decadimento esponenziale con una velocità proporzionale al quadrato della grandezza del microonde. (C e D) Confronto di rilevamento diretto ed eterodina. La competizione tra la polarizzazione indotta dal laser e il rilassamento indotto dalle microonde porta a uno stato di spin di equilibrio. Per il rilevamento diretto (C), la magnitudine delle microonde costante si traduce in un segnale di fluorescenza CC. Per il rilevamento dell'eterodina (D), l'interferenza a microonde si traduce in un'ampiezza variabile nel tempo e quindi in un segnale di fluorescenza CA. Credito:Progressi scientifici (2022). DOI:10.1126/sciadv.abq8158
I sensori di campo a microonde sono importanti nella pratica per una varietà di applicazioni nell'astronomia e nell'ingegneria delle comunicazioni. Il centro di vacanza di azoto in diamante consente sensibilità magnetometrica, stabilità e compatibilità con le condizioni ambientali. Nonostante ciò, i magnetometri esistenti basati sui centri di vacanza dell'azoto hanno una sensibilità limitata nella banda delle microonde.
In un nuovo rapporto ora pubblicato in Science Advances , Zeching Wang e un team di scienziati dell'Università della Scienza e della Tecnologia della Cina, hanno presentato uno schema di rilevamento continuo ed eterodina per migliorare la risposta del sensore alle microonde deboli in assenza di controlli di rotazione. Il team ha raggiunto una sensibilità di 8,9 pTHz -1/2 per microonde tramite un insieme di centri di vacanza di azoto all'interno di un volume del sensore specificato. Il lavoro può avvantaggiare applicazioni pratiche di sensori a microonde a base di diamante.
Applicazioni avanzate del rilevamento a microonde
La sensibilità della maggior parte delle applicazioni moderne che vanno dalla comunicazione wireless alla risonanza paramagnetica elettronica e alle osservazioni astronomiche può essere migliorata grazie ai progressi nei metodi di rilevamento del microcampo. I ricercatori hanno già sviluppato una varietà di sensori quantistici nell'ultimo decennio con capacità avanzate. Tra questi, il centro vacante di azoto è identificato dalle sue proprietà uniche per il rilevamento su chip, sebbene soffra di una sensibilità relativamente bassa. Gli scienziati possono utilizzare gli insiemi di posti vacanti di azoto per migliorare sostanzialmente la sensibilità del magnetometro a diamante.
In questo lavoro, Wang e altri hanno proposto uno schema di rilevamento continuo dell'eterodina per migliorare la risposta del sensore ai deboli campi di microonde introducendo un microonde ausiliario moderato e leggermente detuned. Il risultato ha reso lo schema applicabile a sensori diamantati più grandi con una sensibilità migliorata con grandi vantaggi pratici.
Conduzione degli esperimenti e ottimizzazione della sensibilità
Lo spin dell'elettrone vacante di azoto ha mantenuto uno stato fondamentale di tripletta costituito da uno stato luminoso e due stati oscuri degenerati che possono essere sollevati da un campo magnetico esterno. Il team ha rimosso i complicati impulsi di controllo per eseguire gli esperimenti su una semplice configurazione. Durante il lavoro, hanno utilizzato un concentratore parabolico composto ottico per aumentare l'efficienza di raccolta della fluorescenza. Come prova del concetto, i ricercatori hanno irradiato il segnale e le microonde ausiliarie da un'antenna ad anello di 5 mm di diametro e hanno applicato un campo magnetico esterno perpendicolare alla superficie del diamante di tutti i centri NV per avere le stesse divisioni Zeeman.
Sensibilità ottimale. (A) Dipendenza della reattività dal campo a microonde ausiliario. I punti sono risultati sperimentali, in cui le barre di errore indicano l'RMS della linea di base negli spettri di trasformata di Fourier intorno a δ =480 Hz con un intervallo di 0,1 Hz. La linea continua è il calcolo teorico secondo l'Eq. 16 in Materiali e Metodi. (B) Dipendenza della sensibilità dalla frequenza eterodina δ. La sensibilità è normalizzata in base alla larghezza di banda di rilevamento. L'area rossa indica la finestra di frequenza ottimale intorno a 480 Hz. L'area blu indica la sensibilità limitata al rumore di scatto stimata. (C) Indice di sensibilità. Lo spettro della trasformata di Fourier corrisponde a un campo di microonde del segnale di 6,81 pT. Il tempo totale di misurazione è di 1000 s. L'SNR misurato di 24,2 corrisponde a una sensibilità di 8,9 pT Hz−1/2. Qui, il campo a microonde ausiliario è 220 nT con δ =480 Hz. Credito:Progressi scientifici (2022). DOI:10.1126/sciadv.abq8158
Durante l'esperimento, il team ha applicato per la prima volta un microonde risonante a canale singolo. Hanno quindi applicato un microonde ausiliario ed estratto la frequenza per ottenere la differenza delle due microonde, insieme al segnale della misura dell'eterodina. Il team di ricerca ha ottimizzato le prestazioni del sensore migliorando il rapporto segnale/rumore. Poiché il laser ha mantenuto un forte rumore in una banda di bassa frequenza, il team ha aumentato la frequenza eterodina per evitare questo effetto. I ricercatori hanno quindi confrontato intuitivamente la sensibilità del sensore e hanno anche preso in considerazione la risoluzione della frequenza e la larghezza di banda di rilevamento.
Prospettiva
In questo modo, Zeching Wang e colleghi hanno mostrato la possibilità di utilizzare i centri di vacanza dell'azoto come sensori altamente sensibili per la magnetometria a microonde anche in assenza di controlli di rotazione. Il metodo dipendeva dall'assorbimento risonante delle microonde, facilitato dai centri di vacanza di azoto. Hanno applicato lo schema a un diamante che ospita un insieme di posti vacanti di azoto per ottenere un campo di microonde rilevabile minimo. La semplicità dello schema permette di riprodurre le misure direttamente su sensori più grandi per una sensibilità ulteriormente migliorata. Ad esempio, con diamanti di dimensioni simili al fotodiodo, la sensibilità può essere promossa al livello di femtotesla. L'aumento della densità di azoto vuoto ha migliorato la sensibilità generale, sebbene sia stato necessario bilanciare un aumento dello stato di rilassamento e problemi di riscaldamento del laser.
Larghezza di linea e larghezza di banda. (A) Dipendenza della larghezza di linea dal tempo totale di misurazione. I punti blu sono risultati sperimentali estratti dagli adattamenti di Lorentz degli spettri della trasformata di Fourier. La linea rossa indica la scala 1/t. (B) Concetto intuitivo di estensione della larghezza di banda. Il "mixer" diamantato ha una risposta a banda stretta al microonde in ingresso, dove la banda è centrata sulla frequenza del microonde ausiliario. Se mettiamo in cascata più mixer con diverse microonde ausiliarie, la banda verrà estesa di conseguenza. (C) Misure di larghezza di banda. Tutti i gruppi di misurazioni sono normalizzati per un migliore confronto della larghezza di banda. La larghezza di banda estesa è costituita dalla larghezza di linea ODMR. a.u., unità arbitrarie. Credito:Progressi scientifici (2022). DOI:10.1126/sciadv.abq8158
Il lavoro ha un impatto di lunga data per le applicazioni pratiche dei sensori al diamante come ricevitori di microonde nei radar durante la comunicazione wireless e nei radiotelescopi. Il dispositivo diamantato può funzionare anche a temperature o pressioni estremamente elevate con capacità aggiuntiva per facilitare lo sviluppo di un magnetometro diamantato su chip. + Esplora ulteriormente
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