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基于 NV 色心系综的磁强测量

相关产品: MFLI , PID 控制器

应用简介

金刚石中的氮空位 (NV) 中心系综因具有在通常环境条件下实现灵敏且宽视场的磁成像能力, 因此可用作测量直流和交流磁场的传感器。通过使用不同技术,实验人员可使用 NV 色心来检测从直流到几 GHz 的频率,带宽可达到约 100 kHz。该应用的主要优势为灵敏度,它决定了在给定带宽内信噪比 (SNR) 为 1 时可以检测到的最弱磁场强度。与单个 NV 色心相比,传感体积中包含 个 NV 色心的系综使灵敏度提高了√N,进而可以达到 pT/√Hz 水平。

此外,NV 色心系综还可用于室温下的宽视场磁成像。NV 色心在金刚石晶体内有四种可能的主轴方向,因此系综也可以用于矢量磁场的测量。使用 NV 色心作为传感器通常依赖于光探测: NV 色心系综产生的强信号使光探测只需使用普通的光电二极管,而无需使用昂贵且笨重的雪崩光电二极管。 NV 色心系综较低的操作环境要求,高灵敏度,宽频带和较强的光探测信号优势使其成为磁力测量以及其他类型传感测量的重要平台。

测量方案

NV center level diagram

图 1:NV 色心能级图和共振微波频率 ωMW

使用 NV 色心系综的传感技术大致分为两类:脉冲和连续波 (CW)  方法。尽管脉冲方法通常可以达到更高的灵敏度,但 CW 方法更易于实现。最常见的基于 CW 的测量方案是使用偏置磁场 B来解简并 |ms = ±1> 能级,如图 1 所示,以便独立测量能级布居。在外部磁场下,系综中主轴方向不同 NV 色心的 |ms = ±1> 能级劈裂不同,因此可以根据能级劈裂来区分不同的 NV 色心。最简单的实验配置为,用绿激光非共振激发 NV 色心系综进而产生红色荧光信号,并由光电二极管探测,信号发生器将微波 (MW) 信号发送到靠近系综的天线以驱动自旋跃迁 (见图2)。

通过扫描 MW 频率,同时记录来自系综的荧光信号。在 MW 频率接近 |ms = 0> 到 |ms = ±1> 的共振频率时,在光激发下,暗态 |ms = ±1> 会衰减到长寿命的单态(参见图 1), 进而观察到荧光信号减小。当 MW 频率与共振频率相同时,荧光信号的变化记录了光谱特性。虽然该方案实现起来比较简单,但每次测量都记录了所有光谱,因此这种连续波磁强测量方法比较慢。

Setup for continuous-wave magnetometry with ensembles of NV centers featuring the MFLI Lock-in Amplifier

图 2:基于 NV 色心系综的磁力测量实验装置。

在连续波的磁力测量方案中, 锁相放大器提供了更有效的检测方法。首先将 MW 频率调谐到与其中一个跃迁近共振,用锁相放大器的时变电压产生调制偏置场 Bz,从而在光电二极管上得到调制的荧光信号:然后再使用锁相放大器对其进行解调以提高 SNR(参见图 2)。另外,通过 PID 环路控制电流可以改变偏置磁场以保持荧光信号的稳定,从而使能级跃迁频率不会由于温度随时间的起伏而漂移到测量区域外。MFLI 锁相放大器的宽频测量范围、高输出功率和宽动态范围,以及 PID 控制器选件,使其可用于产生调制偏置磁场和锁定调制光电流。

根据传感实验的实现方案,其灵敏度受取决于很多因素:这些因素包括电子旋磁比 γNV 、传感体积中 NV 色心的数量以及来自 NV 色心系综的荧光信号强度。使用 CW 方法,可以通过使用弱光和 MW 驱动场来避免功率展宽,并通过选择激光器和低噪声的电子设备来达到散粒噪声极限灵敏度。

界面友好且可靠的数据记录器和绘图仪对于监控锁定测量信号如何随时间变化也至关重要;解调后的信号还可用于触发测量,例如在测量瞬变的磁场时。 MFLI 提供了一套先进的内置数据处理和可视化工具,设置简单,大大降低了数据分析所需的时间。

选择苏黎世仪器的优势

  • MFLI 的低输入噪声可以实现更高的灵敏度,并缩短了测量时间。
  • 扫描和成像应用方面的快速测量或利用长积分来检测微弱信号:MFLI 解调时间常数的设置范围非常大,可适应于不同的实验需求。
  • MFLI 内部集成的 PID 控制器可以用于根据输入荧光信号的变化来调节偏置场调制参数,从而实现锁定 MW 跃迁,并降低了实验设置的复杂性。
  • 使用 LabOne 控制软件,您可以减少开发数据处理和可视化工具需要的时间:Scope 和 Plotter 等模块可以显示和记录解调数据,DAQ 工具可将解调数据用于触发测量。

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