Microgolfveldsensoren zijn in de praktijk belangrijk voor een verscheidenheid aan toepassingen in de astronomie en communicatietechniek. Het stikstofvacaturecentrum in diamant maakt magnetometrische gevoeligheid, stabiliteit en compatibiliteit met omgevingscondities mogelijk. Desondanks hebben de bestaande magnetometers op basis van stikstofvacatures een beperkte gevoeligheid in de microgolfband.

In een nieuw rapport dat nu is gepubliceerd in Science Advances , presenteerden Zeching Wang en een team van wetenschappers van de Universiteit voor Wetenschap en Technologie van China een continu, heterodyne detectieschema om de reactie van de sensor op zwakke microgolven te verbeteren in afwezigheid van spincontroles. Het team behaalde een gevoeligheid van 8,9 pTHz ^-1/2 voor microgolven via een ensemble van stikstofleegstandscentra binnen een gespecificeerd sensorvolume. Het werk kan de praktische toepassingen van op diamanten gebaseerde microgolfsensoren ten goede komen.

Geavanceerde toepassingen van microgolfdetectie

De gevoeligheid van de meeste moderne toepassingen, variërend van draadloze communicatie tot paramagnetische resonantie van elektronen en astronomische waarnemingen, kan worden verbeterd door vooruitgang in microvelddetectiemethoden. Onderzoekers hebben het afgelopen decennium al een verscheidenheid aan kwantumsensoren ontwikkeld met verbeterde mogelijkheden. Onder hen wordt het stikstofleegstandscentrum geïdentificeerd door zijn unieke eigenschappen voor detectie op de chip, hoewel het lijdt aan een relatief lage gevoeligheid. Wetenschappers kunnen stikstof-vacature-ensembles gebruiken om de gevoeligheid van de diamantmagnetometer aanzienlijk te verbeteren.

In dit werk stelden Wang en anderen een continu heterodyne detectieschema voor om de reactie van de sensor op zwakke microgolfvelden te verbeteren door een gematigde en enigszins ontstemde hulpmicrogolf te introduceren. Het resultaat maakte het schema toepasbaar op grotere diamantsensoren met verbeterde gevoeligheid met grote praktische voordelen.

De experimenten uitvoeren en de gevoeligheid optimaliseren

De elektronenspin van de stikstofvacature handhaafde een triplet-grondtoestand bestaande uit een heldere toestand en twee gedegenereerde donkere toestanden die kunnen worden opgeheven door een extern magnetisch veld. Het team verwijderde de gecompliceerde controlepulsen om de experimenten op een eenvoudige opstelling uit te voeren. Tijdens het werk gebruikten ze een optische samengestelde parabolische concentrator om de efficiëntie van de fluorescentieverzameling te vergroten. Als proof of concept straalden de onderzoekers signaal- en hulpmicrogolven uit van een lusantenne met een diameter van 5 mm en pasten een extern magnetisch veld loodrecht op het diamantoppervlak van alle NV-centra toe om dezelfde Zeeman-splitsingen te krijgen.

Tijdens het experiment paste het team eerst een enkelkanaals resonante microgolf toe. Vervolgens pasten ze een hulpmicrogolf toe en extraheren ze de frequentie om het verschil tussen de twee microgolven te verkrijgen, naast het signaal van de heterodyne-meting. Het onderzoeksteam optimaliseerde de prestaties van de sensor door de signaal-ruisverhouding te verbeteren. Omdat de laser een sterke ruis in een lage frequentieband handhaafde, verhoogde het team de heterodyne frequentie om dit effect te voorkomen. De onderzoekers benchmarkden vervolgens intuïtief de gevoeligheid van de sensor en hielden ook rekening met de frequentieresolutie en de detectiebandbreedte.

Vooruitzichten

Op deze manier toonden Zeching Wang en collega's de mogelijkheid aan om stikstofleegstandscentra te gebruiken als zeer gevoelige sensoren voor microgolfmagnetometrie, zelfs bij afwezigheid van spincontroles. De methode was afhankelijk van de resonante absorptie van microgolven, mogelijk gemaakt door stikstofvacaturecentra. Ze pasten het schema toe op een diamantensemble met stikstofvacatures om een ​​minimaal detecteerbaar microgolfveld te bereiken. Door de eenvoud van het schema kunnen de metingen direct worden gereproduceerd op grotere sensoren voor een verdere verbeterde gevoeligheid. Met diamanten die bijvoorbeeld een vergelijkbare grootte hebben als de fotodiode, kan de gevoeligheid worden bevorderd tot het femtotesla-niveau. Verhoogde stikstofleegstandsdichtheid verbeterde de algehele gevoeligheid, hoewel een toename van de relaxatietoestand en laserverwarmingsproblemen in evenwicht moesten worden gebracht.

Het werk heeft een langdurige impact voor praktische toepassingen van diamantsensoren als microgolfontvangers in radars tijdens draadloze communicatie en in radiotelescopen. Het diamantapparaat kan ook functioneren onder extreem hoge temperatuur of druk met extra capaciteit om de ontwikkeling van een on-chip diamantmagnetometer te vergemakkelijken. + Verder verkennen

Demonstratie van diamanten kernspingyroscoop

© 2022 Science X Network