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Magnétométrie avec des ensembles de centres NV

Produits reliés: MFLI, Contrôleurs PID

Description de l'application

Les ensembles de vacances d'azote (NV) dans le diamant constituent des capteurs de champs magnétiques continus et alternatifs, grâce à leur capacité à réaliser une imagerie magnétique selon un grand champ de vision à conditions ambiantes. En utilisant différentes techniques, les chercheurs peuvent utiliser les centres NV pour détecter des fréquences allant du courant continu à plusieurs GHz avec des largeurs de bande jusqu'à 100 kHz. Le principal critère de mérite pour cette application est la sensibilité, correspondant à la plus faible intensité de champ détectée avec un rapport signal sur bruit (SNR) de 1 dans une bande passante donnée. Par rapport aux centres NV uniques, les ensembles comprenant N centres NV différents dans le volume de détection bénéficient d'une amélioration de √N de la sensibilité, ce qui leur permet d'atteindre des sensibilités de l'ordre du pT/√Hz.

En outre, les ensembles de centres NV peuvent être utilisés pour l'imagerie magnétique à large champ à température ambiante. Puisque les centres NV ont quatre orientations possibles dans le diamant, les ensembles peuvent aussi être utilisés pour la magnétométrie vectorielle. La mesure des centres NV repose généralement sur la détection optique : les larges signaux générés par les ensembles de centres NV permettent d'utiliser des photodiodes à la place de photodiodes à avalanche, plus coûteuses et encombrantes. Les conditions de fonctionnement ambiantes et la sensibilité des ensembles de centres NV, ainsi que leur large gamme de fréquences et les forts signaux, en font un outil puissant pour la magnétométrie et autres types de détection.

Stratégies de mesure

NV center level diagram

Figure 1 : Niveaux d'énergie des centres NV et fréquence micro-onde de résonance ωMW.

Les techniques de détection avec des ensembles de centres NV se scindent en deux catégories : les approches pulsées ou à ondes continues (cw). Bien que les approches pulsées atteignent souvent de meilleures sensibilités, les approches à ondes continues sont plus simples à mettre en œuvre. La stratégie la plus courante basée sur les ondes continues utilise un champ magnétique de polarisation Bz pour séparer les niveaux |ms = ±1> comme indiqué sur la Figure 1, de sorte que les états peuvent être mesurés indépendamment. Selon l'orientation du champ magnétique externe, les niveaux |ms = ±1> des différentes orientations NV de l'ensemble sont séparés de manière différente, ce qui permet de distinguer ces orientations NV les unes des autres. Dans l'expérience la plus simple, un laser vert excite de façon non résonante l'ensemble des centres NV pour générer un signal de fluorescence rouge mesuré par une photodiode, et un générateur envoie des signaux micro-ondes (MW) à une antenne proche de l'ensemble pour piloter les transitions de spin (voir Figure 2).

La fréquence micro-onde est ensuite balayée pendant l'enregistrement du signal de fluorescence de l'ensemble. Lorsque la fréquence MW entre en résonance avec une transition de l'état |ms = 0> à l'un des états |ms = ±1>, un creux dans le signal de fluorescence est observé car les états |ms = ±1> sont des états faibles qui ont la possibilité de se désintégrer en un état singulet à longue durée de vie lorsqu'ils sont excités optiquement (voir Figure 1). La modification de la fluorescence lors de la résonance de la fréquence MW permet d'enregistrer un spectre. Bien que simple à mettre en œuvre, cette approche est extrêmement lente étant donné que le spectre complet est enregistré pour chaque mesure.

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

Figure 2 : Montage expérimental pour la magnétométrie avec un ensemble de centres NV.

Une meilleure approche de la magnétométrie cw fait appel aux détections synchrones. La fréquence micro-onde est d'abord accordée pour être quasi-résonante avec l'une des transitions, de sorte que cette fréquence se situe au niveau de la pente de la transition. La modulation du champ de polarisation Bz avec une tension variable dans le temps provenant d'une détection synchrone conduit à un signal de fluorescence modulé sur la photodiode : celui-ci peut alors être démodulé pour améliorer le SNR (voir Figure 2). En outre, une boucle PID peut ajouter une rétroaction au signal de fluorescence en fournissant un courant pour décaler le champ magnétique de polarisation afin que la transition demeure mesurable malgré des dérives en température. Grâce à sa large gamme de fréquences, sa puissance de sortie et sa réserve dynamique élevées, ainsi qu'à ses contrôleurs PID optionnels, la détection synchrone MFLI génère les signaux nécessaires pour moduler le champ magnétique de polarisation et démoduler le photocourant induit.

Selon le type d'expérience de détection réalisée, de nombreux facteurs jouent un rôle dans la détermination de la sensibilité du système : il s'agit notamment du rapport gyromagnétique des électrons γNV, du nombre de centres NV dans le volume de détection et de la force du signal de fluorescence de l'ensemble des centres NV. Avec les approches cw, la sensibilité limitée par le bruit de grenaille peut être atteinte en utilisant des champs optiques et de faibles actuations par MW pour éviter l'élargissement de la puissance, notamment en choisissant des lasers et des composants électroniques bas-bruit.

L'enregistrement des données par des outils simples et fiables est également essentiel pour surveiller la variation dans le temps des signaux de mesure de la détection synchrone ; les données démodulées peuvent même être utilisées pour déclencher l'enregistrement, par exemple lors d'une variation soudaine du champ magnétique. Le MFLI offre un large ensemble d'outils intégrés de traitement et de visualisation des données, ce qui permet de simplifier le montage expérimental et de consacrer moins de temps au traitement des données après l'acquisition.

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