Magnetometria de picotesla de campos de micro-ondas com sensores de diamante

Princípio básico de detecção heteródino contínua. (A) Níveis de energia simplificados dos centros NV. Os estados ∣±1〉 podem ser polarizados para o estado ∣0〉 com uma taxa de Γp. Uma micro-ondas ressonante aborda a transição de spin ∣0〉 ↔ ∣1〉. (B) Evolução do centro NV acionado por micro-ondas de diferentes magnitudes. Para uma micro-ondas forte, o estado de spin mostra uma oscilação de Rabi entre ∣0〉 e ∣1〉 com frequência Ω proporcional à magnitude da micro-ondas. Para um micro-ondas fraco, a oscilação degrada para um decaimento exponencial com uma taxa proporcional ao quadrado da magnitude do micro-ondas. (C e D) Comparação de detecção direta e heteródina. A competição entre a polarização induzida por laser e o relaxamento induzido por micro-ondas leva a um estado de spin de equilíbrio. Para detecção direta (C), magnitude constante de micro-ondas resulta em sinal de fluorescência DC. Para detecção heteródino (D), a interferência de micro-ondas resulta em uma magnitude variável no tempo e, portanto, em um sinal de fluorescência AC. Crédito:Avanços Científicos (2022). DOI:10.1126/sciadv.abq8158

Os sensores de campo de microondas são importantes na prática para uma variedade de aplicações em astronomia e engenharia de comunicação. O centro de vacância de nitrogênio em diamante permite sensibilidade magnetométrica, estabilidade e compatibilidade com as condições ambientais. Apesar disso, os magnetômetros baseados em centros de vacância de nitrogênio existentes têm sensibilidade limitada na banda de micro-ondas.
Em um novo relatório agora publicado em Science Advances , Zeching Wang e uma equipe de cientistas da Universidade de Ciência e Tecnologia da China, apresentaram um esquema de detecção heteródino contínuo para melhorar a resposta do sensor a micro-ondas fracas na ausência de controles de rotação. A equipe alcançou uma sensibilidade de 8,9 pTHz^-1/2 para microondas através de um conjunto de centros de vacância de nitrogênio dentro de um volume de sensor especificado. O trabalho pode beneficiar aplicações práticas de sensores de micro-ondas à base de diamante.

Aplicações avançadas de detecção de microondas

A sensibilidade da maioria das aplicações modernas que vão desde comunicação sem fio até ressonância paramagnética eletrônica e observações astronômicas pode ser melhorada por meio de avanços nos métodos de detecção de microcampos. Os pesquisadores já desenvolveram uma variedade de sensores quânticos na última década com recursos aprimorados. Entre eles, o centro de vacância de nitrogênio é identificado por suas propriedades únicas de detecção no chip, embora sofra de sensibilidade relativamente baixa. Os cientistas podem usar conjuntos de vacância de nitrogênio para melhorar substancialmente a sensibilidade do magnetômetro de diamante.

Neste trabalho, Wang e outros propuseram um esquema de detecção heteródino contínuo para melhorar a resposta do sensor a campos de micro-ondas fracos, introduzindo um micro-ondas auxiliar moderado e levemente desafinado. O resultado tornou o esquema aplicável a sensores de diamante maiores com sensibilidade aprimorada com grandes benefícios práticos.

Conduzindo os experimentos e otimizando a sensibilidade

O spin do elétron de vacância de nitrogênio manteve um estado fundamental tripleto consistindo de um estado brilhante e dois estados escuros degenerados que podem ser levantados por um campo magnético externo. A equipe removeu os pulsos de controle complicados para realizar os experimentos em uma configuração simples. Durante o trabalho, eles usaram um concentrador parabólico composto óptico para aumentar a eficiência da coleta de fluorescência. Como prova de conceito, os pesquisadores irradiaram sinal e micro-ondas auxiliares de uma antena de loop de 5 mm de diâmetro e aplicaram um campo magnético externo perpendicular à superfície do diamante de todos os centros NV para ter as mesmas divisões de Zeeman.

Sensibilidade ótima. (A) Dependência da responsividade no campo auxiliar de micro-ondas. Os pontos são resultados experimentais, onde as barras de erro indicam o RMS da linha de base em espectros de transformada de Fourier em torno de δ =480 Hz com um intervalo de 0,1 Hz. A linha contínua é o cálculo teórico de acordo com a Eq. 16 em Materiais e Métodos. (B) Dependência da sensibilidade na frequência heteródino δ. A sensibilidade é normalizada de acordo com a largura de banda de detecção. A área vermelha indica a janela de frequência ideal em torno de 480 Hz. A área azul indica a sensibilidade limitada ao ruído de disparo estimado. (C) Referência de sensibilidade. O espectro da transformada de Fourier corresponde a um campo de microondas de sinal de 6,81 pT. O tempo total de medição é de 1000 s. A SNR medida de 24,2 corresponde a uma sensibilidade de 8,9 pT Hz−1/2. Aqui, o campo auxiliar de micro-ondas é de 220 nT com δ =480 Hz. Crédito:Avanços Científicos (2022). DOI:10.1126/sciadv.abq8158

Durante o experimento, a equipe primeiro aplicou um micro-ondas ressonante de canal único. Eles então aplicaram uma micro-ondas auxiliar e extraíram a frequência para obter a diferença das duas micro-ondas, juntamente com o sinal da medição heteródino. A equipe de pesquisa otimizou o desempenho do sensor melhorando a relação sinal-ruído. Como o laser mantinha um forte ruído em uma banda de baixa frequência, a equipe aumentou a frequência heteródino para evitar esse efeito. Os pesquisadores então compararam intuitivamente a sensibilidade do sensor e também levaram em consideração a resolução de frequência, bem como a largura de banda de detecção.

Perspectivas

Desta forma, Zeching Wang e colegas mostraram a possibilidade de usar centros de vacância de nitrogênio como sensores altamente sensíveis para magnetometria de micro-ondas mesmo na ausência de controles de spin. O método dependia da absorção ressonante de micro-ondas, facilitada por centros de vacância de nitrogênio. Eles aplicaram o esquema a um diamante que hospeda um conjunto de vacâncias de nitrogênio para obter um campo mínimo de micro-ondas detectável. A simplicidade do esquema permite que as medições sejam reproduzidas diretamente em sensores maiores para melhorar ainda mais a sensibilidade. Por exemplo, com diamantes de tamanho semelhante ao fotodiodo, a sensibilidade pode ser promovida ao nível de femtotesla. O aumento da densidade de vacância de nitrogênio melhorou a sensibilidade geral, embora um aumento no estado de relaxamento e os problemas de aquecimento do laser tenham que ser equilibrados.

Largura de linha e largura de banda. (A) Dependência da largura de linha no tempo total de medição. Os pontos azuis são resultados experimentais extraídos dos ajustes de Lorentz dos espectros da transformada de Fourier. A linha vermelha indica a escala de 1/t. (B) Conceito intuitivo de extensão de largura de banda. O “mixer” de diamante tem uma resposta de banda estreita ao micro-ondas de entrada, onde a banda é centrada na frequência do micro-ondas auxiliar. Se colocarmos em cascata vários mixers com diferentes micro-ondas auxiliares, a banda será estendida de acordo. (C) Medições de largura de banda. Todos os grupos de medidas são normalizados para melhor comparação da largura de banda. A largura de banda estendida consiste na largura de linha ODMR. a.u., unidades arbitrárias. Crédito:Avanços Científicos (2022). DOI:10.1126/sciadv.abq8158

O trabalho tem um impacto de longa data para aplicações práticas de sensores de diamante como receptores de microondas em radares durante a comunicação sem fio e em radiotelescópios. O dispositivo de diamante também pode funcionar sob temperatura ou pressão extremamente alta com capacidade adicional para facilitar o desenvolvimento de um magnetômetro de diamante no chip. + Explorar mais