基於NV Centers集合的量子磁力計技術

應用說明

鑽石中的 nitrogen vacancy (NV) centers 集合，由於能在常溫下進行高靈敏度、寬視野的磁場成像，因此可作為 DC 與 AC 磁場的有效感測器。透過不同技術，研究人員可利用 NV centers 感測從 DC 到數 GHz 的頻率範圍，頻寬可達約 100 kHz。

此應用的關鍵指標為 sensitivity（靈敏度），即在特定頻寬下達到訊噪比（SNR）為 1 時可偵測的最小磁場強度。與單一 NV center 相比，由 N 個 NV centers 組成的集合在感測體積內可帶來 √N 的靈敏度提升，使其可達到 pT/√Hz 等級的靈敏度。

此外，NV centers 集合可在室溫下進行 wide-field magnetic imaging。由於 NV centers 在鑽石晶體中具有四種可能方向，因此可實現 vector magnetometry（向量磁量測）。NV sensing 通常依賴 optical detection：由於 NV centers 集合產生的訊號強度較高，因此可使用 photodiode，而不需昂貴且複雜的 avalanche photodiode。

在常溫操作、高靈敏度、寬頻率範圍及強訊號等優勢下，NV centers 集合成為磁力計及其他感測應用中的強大工具。

量測方法

Figure 1：NV center 能階圖與共振微波頻率 ωMW

利用 NV centers 集合進行感測的方法大致可分為兩類：

• pulsed 方法
• continuous-wave (cw) 方法

雖然 pulsed 方法通常可達到更高靈敏度，但 cw 方法較容易實作。最常見的 cw 方法會施加一個偏置磁場 Bz，使 |ms = ±1> 能階分裂（如 Figure 1），從而可分別量測各能階。根據外加磁場方向不同，不同方向的 NV centers 其 |ms = ±1> 能階分裂程度不同，因此可區分不同方向的 NV。

在最基本的實驗中：

使用綠光雷射非共振激發 NV centers 產生紅色螢光訊號，由 photodiode 偵測 signal generator 提供 microwave (MW) 訊號至天線以驅動自旋轉換（見 Figure 2）接著掃描 MW 頻率，同時記錄螢光訊號。 當 MW 頻率與 |ms = 0> → |ms = ±1> 的轉換共振時，螢光訊號會下降，因為 |ms = ±1> 為較暗態，並可能衰減至長壽命 singlet state。透過此螢光變化即可獲得光譜。然而，此方法需對每次量測掃描完整頻譜，因此速度非常慢。

Figure 2：使用 NV centers 集合進行磁力計的實驗架構 （使用 Lock-in Amplifier 的 cw 方法）

更有效的 cw 方法會使用 lock-in amplifier，首先將 MW 頻率調整至接近共振，使其位於轉換曲線的斜率位置。接著使用 lock-in amplifier 輸出隨時間變化的電壓來調制偏置磁場 Bz，會在 photodiode 上產生調制後的螢光訊號。此訊號再由 lock-in amplifier 進行 demodulation，以提升 SNR（見 Figure 2）。此外，可透過 PID loop 提供回授電流調整偏置磁場，以避免因溫度變化導致共振漂移。

MFLI Lock-in Amplifier 具備寬頻率範圍、高輸出功率與動態範圍，以及可選 PID 控制功能，可同時用於：

• 調制偏置磁場
• 偵測調制後的 photocurrent
• Sensitivity Factors（靈敏度影響因素）

靈敏度會受到多種因素影響，包括：

• 電子 gyromagnetic ratio γNV
• 感測體積中的 NV 數量
• 螢光訊號強度

在 cw 方法中，可透過以下方式達到 shot-noise-limited sensitivity：

• 使用較弱的光與 MW 驅動以避免 power broadening
• 選擇低雜訊雷射與電子設備
• Data Processing（資料處理）

Zurich Instruments 內建可靠且易用的 data logger 與 plotter 對於監測 lock-in 訊號隨時間變化非常重要。demodulated data 甚至可用於觸發量測，例如在磁場快速變化時。MFLI Lock-in Amplifier內建完整資料處理與視覺化工具，使實驗架構更簡化，減少自行開發分析系統的時間。

MFLI 500 kHz / 5 MHz Lock-in Amplifier 鎖相放大器

• 低輸入雜訊
• 大範圍時間常數（time constants）
• 內建 PID controller
• LabOne 軟體（scope、sweeper、spectrum analyzer）
• The Benefits of Choosing Zurich Instruments（選擇 Zurich Instruments 的優勢）
• MFLI 的低輸入雜訊可提升靈敏度並縮短量測時間
• 大範圍 time constants 可支援快速掃描或長時間積分以偵測微弱訊號
• 內建 PID controller 可即時回授並追蹤 microwave 共振頻率，降低系統複雜度
• Scope 與 Plotter 模組可顯示並記錄解調後的數據，而 DAQ 工具則可利用解調數據來觸發量測。

歡迎來信來電了解更多NV Centers的量測~