[論文レビュー] AC sensing using nitrogen vacancy centers in a diamond anvil cell up to 6 GPa

Zhipan Wang, Christopher McPherson+5 more|arXiv (Cornell University)|Oct 12, 2021

High-pressure geophysics and materials参考文献 63被引用数 9

ひとこと要約

本研究では、ダイヤモンドアンビルセル（DAC）内のダイヤモンドに内在する窒素・バケーション（NV）中心を用いた高圧下における交流（AC）磁気センシングを実証し、6 GPaまで同期読み取りを達成した。マイクロ波場および圧力の不均一性による感度の低下にもかかわらず、ナノリットルの試料体積で全光学的かつ高分解能な磁気共鳴を実現可能とし、極限的圧力下での核磁気共鳴（NMR）への道筋を示した。

ABSTRACT

Nitrogen-vacancy color centers in diamond have attracted broad attention as quantum sensors for both static and dynamic magnetic, electrical, strain and thermal fields, and are particularly attractive for quantum sensing under pressure in diamond anvil cells. Optically-based nuclear magnetic resonance may be possible at pressures greater than a few GPa, and offers an attractive alternative to conventional Faraday-induction based detection. Here we present AC sensing results and demonstrate synchronized readout up to 6 GPa, but find that the sensitivity is reduced due to inhomogeneities of the microwave field and pressure within the sample space. These experiments enable the possibility for all-optical high resolution magnetic resonance of nanoliter sample volumes at high pressures.

研究の動機と目的

• 極限的圧力下でナノリットル体積の試料に対して全光学的かつ高分解能な磁気共鳴を実現する手法の開発。
• 小規模な試料体積および技術的制約により、従来のファラデー誘導型NMRに課題が生じるダイヤモンドアンビルセルにおける制限を克服すること。
• 6 GPaまでの圧力でNV中心を用いたACセンシングを実施し、動的な磁場を検出すること。
• 高圧下における光検出磁気共鳴（ODMR）が核スピンの進動を検出可能かどうかを検討すること。
• 高圧ODMR実験における感度低下の原因を同定および特徴づけること。

提案手法

• 磁気場検出に、合成ダイヤモンド内の窒素・バケーション（NV）中心を量子センサーとして用いる。
• DAC内のNV中心を励起および蛍光収集するために、長焦点距離のオプティカルレンズ（50X、NA 0.40）を用いる。
• ダイヤモンドアンビルの先端面に直線状の金アンテナを配置し、ラビ振動に必要なマイクロ波場を印加する。
• NV軸が[111]方向に整列するよう、垂直方向から54.7°の角度で約29 mTの外部磁場を印加する。
• 試料面上でレーザー光ビームを横方向に走査（20 µmステップ）し、ラビ周波数および蛍光強度のマップを取得する。
• マイクロ波励起と光学的読み取りを同期させることで、動的な磁場のACセンシングを実現する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 6 GPaまでの圧力下で、ダイヤモンドアンビルセル内にNV中心を用いたACセンシングを成功裏に実装できるか？
• RQ2 NV中心を用いた高圧ODMR実験における感度低下の主な要因は何か？
• RQ3 マイクロ波場の不均一性および圧力勾配は、DAC内でのACセンシングの忠実度にどのように影響を与えるか？
• RQ4 ナノリットル体積の試料において、極限的圧力下で全光学的磁気共鳴がどれほど動的な磁場を検出可能か？
• RQ5 同期化されたマイクロ波励起と光学的読み取りは、高圧環境下で核スピンの進動を高分解能で検出可能か？

主な発見

• NV中心を用いたACセンシングが、ダイヤモンドアンビルセル内で6 GPaまで成功裏に実証され、動的な磁場の全光学的検出が可能となった。
• 試料空間全体におけるマイクロ波場および圧力分布の不均一性により、高圧域で感度が低下した。
• ラビ周波数および蛍光強度のマップが取得され、場と圧力の不均一性に一致する空間的変動が確認された。
• マイクロ波場強度が約0.18 mTの条件下で、90°マイクロ波パルス（パルス幅約50 ns）を達成し、これによりラビ周波数は約5 MHzに相当した。
• 実験装置により、光学的読み取りとマイクロ波励起の同期が実現され、高圧環境下におけるACセンシングの実現可能性が裏付けられた。
• 本結果は、特に水素含有物質の研究を想定した、極限的圧力下でナノリットル体積で全光学的高分解能NMRを実現する基盤を確立した。