Magnétométrie Picotesla des champs micro-ondes avec capteurs diamant

Principe de base de la détection continue hétérodyne. (A) Niveaux d'énergie simplifiés des centres NV. Les états ∣±1〉 peuvent être polarisés à l'état ∣0〉 avec un taux de Γp. Une micro-onde résonnante traite la transition de spin ∣0〉 ↔ ∣1〉. (B) Évolution du centre NV piloté par des micro-ondes de différentes amplitudes. Pour une forte micro-onde, l'état de spin montre une oscillation de Rabi entre ∣0〉 et ∣1〉 avec une fréquence Ω proportionnelle à la magnitude de la micro-onde. Pour une micro-onde faible, l'oscillation se dégrade en une décroissance exponentielle avec un taux proportionnel au carré de la magnitude de la micro-onde. (C et D) Comparaison de la détection directe et hétérodyne. La compétition entre la polarisation induite par laser et la relaxation induite par les micro-ondes conduit à un état de spin d'équilibre. Pour la détection directe (C), l'amplitude constante des micro-ondes se traduit par un signal de fluorescence CC. Pour la détection hétérodyne (D), l'interférence micro-ondes se traduit par une amplitude variable dans le temps et donc un signal de fluorescence AC. Crédit :Progrès scientifiques (2022). DOI :10.1126/sciadv.abq8158

Les capteurs de champ micro-ondes sont importants dans la pratique pour une variété d'applications dans l'astronomie et l'ingénierie des communications. Le centre de lacune d'azote dans le diamant permet une sensibilité magnétométrique, une stabilité et une compatibilité avec les conditions ambiantes. Malgré cela, les magnétomètres existants basés sur le centre de lacune d'azote ont une sensibilité limitée dans la bande des micro-ondes.

Dans un nouveau rapport maintenant publié dans Science Advances , Zeching Wang et une équipe de scientifiques de l'Université des sciences et technologies de Chine, ont présenté un schéma de détection continu et hétérodyne pour améliorer la réponse du capteur aux micro-ondes faibles en l'absence de commandes de rotation. L'équipe a atteint une sensibilité de 8,9 pTHz^-1/2 pour les micro-ondes via un ensemble de centres de lacunes d'azote dans un volume de capteur spécifié. Le travail peut bénéficier des applications pratiques des capteurs micro-ondes à base de diamant.

Applications avancées de détection de micro-ondes

La sensibilité de la plupart des applications modernes allant de la communication sans fil à la résonance paramagnétique électronique et aux observations astronomiques peut être améliorée grâce aux progrès des méthodes de détection des microchamps. Les chercheurs ont déjà développé une variété de capteurs quantiques au cours de la dernière décennie avec des capacités améliorées. Parmi eux, le centre de lacune d'azote est identifié par ses propriétés uniques pour la détection sur puce, bien qu'il souffre d'une sensibilité relativement faible. Les scientifiques peuvent utiliser des ensembles de lacunes d'azote pour améliorer considérablement la sensibilité du magnétomètre à diamant.

Dans ce travail, Wang et d'autres ont proposé un schéma de détection hétérodyne continu pour améliorer la réponse du capteur aux champs micro-ondes faibles en introduisant une micro-onde auxiliaire modérée et légèrement désaccordée. Le résultat a rendu le schéma applicable à des capteurs de diamant plus grands avec une sensibilité améliorée avec de grands avantages pratiques.

Réalisation des expériences et optimisation de la sensibilité

Le spin de l'électron de vacance d'azote a maintenu un état fondamental triplet composé d'un état brillant et de deux états sombres dégénérés qui peuvent être soulevés par un champ magnétique externe. L'équipe a supprimé les impulsions de contrôle compliquées pour effectuer les expériences sur une configuration simple. Au cours des travaux, ils ont utilisé un concentrateur parabolique composé optique pour augmenter l'efficacité de collecte de fluorescence. Comme preuve de concept, les chercheurs ont émis un signal et des micro-ondes auxiliaires à partir d'une antenne cadre de 5 mm de diamètre et ont appliqué un champ magnétique externe perpendiculaire à la surface du diamant de tous les centres NV pour avoir les mêmes divisions Zeeman.

Sensibilité optimale. (A) Dépendance de la sensibilité sur le champ micro-onde auxiliaire. Les points sont des résultats expérimentaux, où les barres d'erreur indiquent la valeur efficace de la ligne de base dans les spectres de transformée de Fourier autour de δ =480 Hz avec une plage de 0,1 Hz. La ligne continue est le calcul théorique selon l'Eq. 16 dans Matériels et méthodes. (B) Dépendance de la sensibilité à la fréquence hétérodyne δ. La sensibilité est normalisée en fonction de la bande passante de détection. La zone rouge indique la fenêtre de fréquence optimale autour de 480 Hz. La zone bleue indique la sensibilité limitée au bruit de tir estimée. (C) Benchmark de sensibilité. Le spectre de la transformée de Fourier correspond à un champ hyperfréquence signal de 6,81 pT. Le temps de mesure total est de 1000 s. Le SNR mesuré de 24,2 correspond à une sensibilité de 8,9 pT Hz-1/2. Ici, le champ micro-onde auxiliaire est de 220 nT avec δ =480 Hz. Crédit :Progrès scientifiques (2022). DOI :10.1126/sciadv.abq8158

Au cours de l'expérience, l'équipe a d'abord appliqué une micro-onde résonnante à canal unique. Ils ont ensuite appliqué une micro-onde auxiliaire et extrait la fréquence pour obtenir la différence des deux micro-ondes, ainsi que le signal de la mesure hétérodyne. L'équipe de recherche a optimisé les performances du capteur en améliorant le rapport signal/bruit. Comme le laser maintenait un fort bruit dans une bande de basse fréquence, l'équipe a augmenté la fréquence hétérodyne pour éviter cet effet. Les chercheurs ont ensuite intuitivement étalonné la sensibilité du capteur et ont également pris en compte la résolution en fréquence ainsi que la bande passante de détection.

Perspectives

De cette manière, Zeching Wang et ses collègues ont montré la possibilité d'utiliser des centres de lacune d'azote comme capteurs très sensibles pour la magnétométrie micro-onde même en l'absence de commandes de spin. La méthode reposait sur l'absorption résonnante des micro-ondes, facilitée par les centres de lacunes d'azote. Ils ont appliqué le schéma à un ensemble de lacunes d'azote contenant un diamant pour obtenir un champ micro-ondes détectable minimum. La simplicité du schéma permet aux mesures d'être directement reproduites sur des capteurs plus grands pour une sensibilité encore améliorée. Par exemple, avec des diamants ayant une taille similaire à la photodiode, la sensibilité peut être promue au niveau femtotesla. L'augmentation de la densité des lacunes d'azote a amélioré la sensibilité globale, bien qu'une augmentation de l'état de relaxation et des problèmes de chauffage au laser aient dû être équilibrés.

Largeur de ligne et bande passante. (A) Dépendance de la largeur de raie sur le temps de mesure total. Les points bleus sont des résultats expérimentaux extraits des ajustements de Lorentz des spectres de transformée de Fourier. La ligne rouge indique l'échelle 1/t. (B) Concept intuitif d'extension de bande passante. Le "mélangeur" en diamant a une réponse à bande étroite à la micro-onde d'entrée, où la bande est centrée sur la fréquence de la micro-onde auxiliaire. Si nous mettons en cascade plusieurs mélangeurs avec différents micro-ondes auxiliaires, la bande sera étendue en conséquence. (C) Mesures de bande passante. Tous les groupes de mesures sont normalisés pour une meilleure comparaison de la bande passante. La bande passante étendue est constituée de la largeur de ligne ODMR. a.u., unités arbitraires. Crédit :Progrès scientifiques (2022). DOI :10.1126/sciadv.abq8158

Les travaux ont un impact de longue date sur les applications pratiques des capteurs au diamant en tant que récepteurs micro-ondes dans les radars pendant la communication sans fil et dans les radiotélescopes. Le dispositif en diamant peut également fonctionner sous une température ou une pression extrêmement élevée avec une capacité supplémentaire pour faciliter le développement d'un magnétomètre en diamant sur puce. + Explorer plus loin