[論文レビュー] DC Magnetometry at the $T_2$ Limit

Ashok Ajoy, Yixiang Liu+1 more|arXiv (Cornell University)|Nov 15, 2016

Magnetic Field Sensors Techniques被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、核スピンアタシリアを介した周波数上変換技術を導入し、静的な磁場を検出可能な交流信号に変換することにより、$T_2$コherences制限でのDC磁気測定を可能にする。この手法は$1/T_2$に近いノイズフィルターバンド幅を持つ量子ロックイン検出を実現し、約$6\mu$T/$\sqrt{\textrm{Hz}}$の感度と64 kHz未満の狭帯域ノイズフィルタリングを達成し、ナノスケールでの高感度ベクトル磁気測定を可能にする。

ABSTRACT

Sensing static or slowly varying magnetic fields with high sensitivity and spatial resolution is critical to many applications in fundamental physics, bioimaging and materials science. Several versatile magnetometry platforms have emerged over the past decade, such as electronic spins associated with Nitrogen Vacancy (NV) centers in diamond. However, their high sensitivity to external fields also makes them poor sensors of DC fields. Indeed, the usual method of Ramsey magnetometry leaves them prone to environmental noise, limiting the allowable interrogation time to the short dephasing time T2*. Here we introduce a hybridized magnetometery platform, consisting of a sensor and ancilla, that allows sensing static magnetic fields with interrogation times up to the much longer T2 coherence time, allowing significant potential gains in field sensitivity. While more generally applicable, we demonstrate the method for an electronic NV sensor and a nuclear ancilla. It relies on frequency upconversion of transverse DC fields through the ancilla, allowing quantum lock-in detection with low-frequency noise rejection. In our experiments, we demonstrate sensitivities better than 6uT/vHz, comparable to the Ramsey method, and narrow-band signal noise filtering better than 64kHz. With technical optimization, we expect more than an one order of magnitude improvement in each of these parameters. Since our method measures transverse fields, in combination with the Ramsey detection of longitudinal fields, it ushers in a compelling technique for sensitive vector DC magnetometry at the nanoscale.

研究の動機と目的

• 環境ノイズおよび$1/f$ノイズによる$T_2^*$制限を克服すること。
• 感度向上のため、$T_2$コherences時間まで可能な長時間の測定を可能にすること。
• 単一のNV中心と核スピンアタシリアを用いた高感度ベクトルDC磁気測定の手法を開発すること。
• 周波数上変換とダイナミカルデカップリングを用いてDC磁場の量子ロックイン検出を実現すること。
• 信号対ノイズ比の向上を図るため、$1/T_2$に近いノイズフィルターバンド幅を達成すること。

提案手法

• センサーとして窒素バケーション（NV）中心の電子スピンを、アタシリアとして$^{14}\textrm{N}$核スピンを用い、横方向のDC磁場を調整可能な周波数$\omega_0$の振動磁場に周波数上変換する。
• 上変換されたAC信号はCPMGダイナミカルデカップリングシーケンスを用いて測定され、$\omega_0$における量子ロックイン検出が可能になる。
• ダイナミカルデカップリングフィルタの狭帯域（$\sim 1/T_2$）を活用し、環境ノイズおよび低周波数信号ノイズの両方を抑制する。
• 量子補間を適用して、信号ピークの時間分解能を下回るサンプリングを実現し、$\approx 20.8$ ps分解能での$^{14}\textrm{N}$信号の正確な測定を可能にする。
• 誤差伝搬を伴うモンテカルロフィッティングを用いて、フィッティングパrameterの不確実性および実験的誤差ボックスを推定する。
• システムはセンサーノイズと信号ノイズの両方をフィルタリングする二重バンドパスフィルタリングを実行し、有効コherences時間を$T_2$にまで延長する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 NV中心磁気測定において、$T_2^*$ではなく$T_2$に制限された感度でDC磁場を測定できるか？
• RQ2 アタシリアを介した周波数上変換は、DC磁場の量子ロックイン検出を可能にするか？
• RQ3 この手法は、信号とセンサ環境の両方における低周波数ノイズをどの程度抑制できるか？
• RQ4 量子補間を用いて、信号ピークの時間分解能を下回るサンプリングを達成できるか？
• RQ5 実用的実装において、達成可能な感度とノイズフィルターバンド幅は何か？

主な発見

• 本手法は、従来のラムゼイベースの手法と同等の磁場感度、約$6\mu$T/$\sqrt{\textrm{Hz}}$を達成した。
• 狭帯域ノイズフィルタリングが64 kHz未満で実証され、低周波数ノイズの有効な抑制が可能となった。
• 量子補間により、ハードウェアの時間分解能をはるかに下回る有効なサンプリング分解能$\approx 20.8$ psが達成され、$\approx 60.45$ nsでの正確なピーク検出が可能になった。
• 実験的信号ラインシェイプは、わずかに非対称な修正されたシンク関数とよく一致しており、モデルの正確性が裏付けられた。
• データに観察されたチーバーパターンは、2スピン交換ダイナミクスのものと一致し、量子補間プロセスのコherencesと忠実度が検証された。
• 技術的最適化を施せば、感度およびノイズフィルターバンド幅の両方で10倍以上の向上が予想される。