带有金刚石传感器的微波场皮科特斯拉磁力测量
连续外差检测的基本原理。(A) NV 中心的简化能级。∣±1> 状态可以极化为 ∣0> 状态，速率为 Γp。共振微波解决了 ∣0> ? ∣1> 自旋跃迁。(B) 不同大小的微波驱动的 NV 中心的演化。对于强微波，自旋态在∣0>和∣1>之间呈现拉比振荡，频率Ω与微波幅度成正比。对于弱微波，振荡以与微波幅度的平方成比例的速率衰减为指数衰减。（C 和 D）直接和外差检测的比较。激光诱导极化和微波诱导弛豫之间的竞争导致平衡自旋态。对于直接检测 (C)，恒定的微波幅度会产生直流荧光信号。对于外差检测 (D)，微波干扰会产生随时间变化的幅度，从而产生交流荧光信号。来源：科学进展（2022 年）。DOI: 10.1126/sciadv.abq8158
微波场传感器在实践中对于天文学和通信工程的各种应用非常重要。金刚石中的氮空位中心允许磁力测量灵敏度、稳定性和与环境条件的兼容性。尽管如此，现有的基于氮空位中心的磁力计在微波波段的灵敏度有限。
在现在发表在《科学进展》上的一份新报告中，王泽庆和中国科学技术大学的一组科学家提出了一种连续的外差检测方案，以改善传感器在没有自旋控制的情况下对微弱微波的响应。该团队通过指定传感器体积内的氮空位中心集合实现了8.9 pTHz -1/2的微波灵敏度。这项工作可以使基于金刚石的微波传感器的实际应用受益。
微波传感的高级应用
通过微场检测方法的进步，可以提高从无线通信到电子顺磁共振和天文观测的大多数现代应用的灵敏度。在过去的十年中，研究人员已经开发出各种具有增强功能的量子传感器。其中，氮空位中心以其独特的片上检测特性而被识别，尽管它的灵敏度相对较低。科学家可以使用氮空位集合来显着提高金刚石磁力计的灵敏度。
在这项工作中，Wang 等人提出了一种连续外差检测方案，通过引入适度和轻微失谐的辅助微波来改善传感器对弱微波场的响应。结果使该方案适用于更大的金刚石传感器，具有更高的灵敏度，具有很大的实际效益。
进行实验并优化灵敏度
氮空位电子自旋保持三重基态，包括一个亮态和两个简并暗态，可以被外部磁场提升。该团队移除了复杂的控制脉冲，以便在简单的设置上进行实验。在工作期间，他们使用光学复合抛物面聚光器来提高荧光收集效率。作为概念验证，研究人员从直径为 5 毫米的环形天线辐射信号和辅助微波，并施加垂直于所有 NV 中心的金刚石表面的外部磁场，以产生相同的塞曼分裂。
最佳灵敏度。(A) 响应度对辅助微波场的依赖性。点是实验结果，其中误差条表示在 δ = 480 Hz 附近的傅里叶变换光谱中基线的 RMS，跨度为 0.1 Hz。实线是根据方程式的理论计算。16 在材料和方法。(B) 灵敏度对外差频率 δ 的依赖性。灵敏度根据检测带宽进行归一化。红色区域表示 480 Hz 附近的最佳频率窗口。蓝色区域表示估计的散粒噪声限制灵敏度。(C) 灵敏度基准。傅里叶变换光谱对应于 6.81 pT 的信号微波场。总测量时间为 1000 秒。测得的 24.2 SNR 对应于 8.9 pT Hz-1/2 的灵敏度。这里，辅助微波场为 220 nT，δ = 480 Hz。来源：科学进展（2022 年）。DOI: 10.1126/sciadv.abq8158
在实验过程中，团队首先应用了单通道谐振微波。然后他们应用辅助微波并提取频率以获得两个微波的差异，以及外差测量的信号。研究团队通过提高信噪比优化了传感器的性能。由于激光在低频段保持强噪声，团队增加了外差频率以避免这种影响。然后，研究人员直观地对传感器的灵敏度进行了基准测试，并将频率分辨率和检测带宽考虑在内。
通过这种方式，Zeching Wang 及其同事展示了使用氮空位中心作为微波磁力测量的高灵敏度传感器的可能性，即使在没有自旋控制的情况下也是如此。该方法依赖于微波的共振吸收，由氮空位中心促进。他们将该方案应用于承载氮空位的金刚石组合，以实现最小可检测微波场。该方案的简单性允许在更大的传感器上直接复制测量结果，以进一步提高灵敏度。例如，使用与光电二极管尺寸相似的钻石，可以将灵敏度提升到飞特斯拉级别。增加氮空位密度提高了整体灵敏度，尽管必须平衡弛豫状态的增加和激光加热问题。
线宽和带宽。(A) 线宽对总测量时间的依赖性。蓝色点是从傅里叶变换光谱的洛伦兹拟合中提取的实验结果。红线表示 1/t 比例。(B) 带宽扩展的直观概念。金刚石“混频器”对输入微波具有窄带响应，其中频带以辅助微波的频率为中心。如果我们级联多个具有不同辅助微波的混频器，则频段将相应扩展。(C) 带宽测量。为了更好地比较带宽，所有测量组都进行了标准化。扩展带宽由 ODMR 线宽组成。au，任意单位。来源：科学进展（2022 年）。DOI: 10.1126/sciadv.abq8158
这项工作对金刚石传感器在无线通信和射电望远镜中作为雷达微波接收器的实际应用产生了长期影响。金刚石设备还可以在极高的温度或压力下工作，并具有额外的能力，以促进片上金刚石磁力计的开发。
