[論文レビュー] Diamond magnetometry and gradiometry with subpicotesla DC sensitivity

Chen Zhang, Farida Shagieva+12 more|arXiv (Cornell University)|Dec 31, 2020

Diamond and Carbon-based Materials Research被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、窒素空位（NV）中心を有するダイヤモンドを用いた、0.5 pT/Hz^1/2の感度を達成するフェムトテスラ未満のDC磁気測定および勾配測定を実証した。低光強度条件下で、連続波光学検出磁気共鳴（CW-ODMR）と、ロックイン検出を用いた連続励起ラマーシー法を比較することで、遮蔽のない環境下でも高感度測定を可能にした。これにより、ダイヤモンドNVセンサーが、pT～fT感度を有する、コンパクトでフルレンジの量子磁気計として位置づけられるようになった。

ABSTRACT

Nitrogen vacancy (NV) centers in diamond have developed into a powerful solid-state platform for compact quantum sensors. Here, we compare different DC magnetometry methods like, e.g. continuous-wave optically detected magnetic resonance (CW-ODMR) and continuously excited (CE-) Ramsey measurements combined with lock-in detection to achieve high sensitivity using low optical excitation intensities. We achieve a sensitivity of 0.5 pT/Hz^1/2 while retaining mm sized sensor form. We also demonstrate a gradiometer set up which achieves pT sensitivity in unshielded environments. Combined with previous efforts on the diamond AC magnetometry, the diamond magnetometer is promising to perform as a full range magnetometer with pT-fT sensitivity and mm3 sensing volume in ambient environments.

研究の動機と目的

• 窒素空位（NV）中心を有するダイヤモンドを用いた、低光強度条件下での高感度DC磁気測定の開発。
• 連続波光学検出磁気共鳴（CW-ODMR）と、ロックイン検出を用いた連続励起ラマーシー法の比較と最適化。
• コンパクトでmmスケールのセンサープラットフォームを用いて、遮蔽のない環境下でフェムトテスラ未満の感度を実証すること。
• 環境下でより高い磁場勾配検出能を有する、ダイヤモンドNVセンサーの勾配測定への応用。
• ダイヤモンドベースのNVセンサーを、pT～fT感度とmm3スケールの検出体積を有するフルレンジ量子磁気計として位置づけること。

提案手法

• ダイヤモンド中のNV中心を用いたDC磁場センシングに、連続波光学検出磁気共鳴（CW-ODMR）を採用した。
• 信号対雑音比と感度を向上させるために、ロックイン検出を用いた連続励起（CE-）ラマーシー測定を適用した。
• 光傷害や加熱を低減しつつも、高い感度を維持するため、低光強度励起を用いた。
• 磁場勾配を測定するために、空間的に分離した2つのNV中心を用いた勾配計構成を実装した。
• 低周波数での分解能向上のため、ロックイン検出と位相に敏感な読み出しを組み合わせた。
• 実用性を確保するため、遮蔽のない環境下で常温での動作を実現した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 低光強度条件下で、ダイヤモンドNV中心を用いてフェムトテスラ未満のDC磁場感度を達成できるか？
• RQ2 低光強度条件下で、ロックイン検出を用いたCEラマーシー法とCW-ODMRの感度および耐障害性はどのように比較されるか？
• RQ3 コンパクトでmmスケールのダイヤモンドNVセンサーが、遮蔽のない環境下でpTレベルの感度を達成できるか？
• RQ4 環境下におけるダイヤモンドベースの勾配測定の性能限界は何か？
• RQ5 ダイヤモンドNVセンサーは、mm3スケールの検出体積を有するpT～fT感度のフルレンジ磁気計として実現可能か？

主な発見

• 低光強度と最適化された測定プロトコルを用いて、DC磁場感度が0.5 pT/Hz^1/2に達成された。
• 低光強度条件下で、ロックイン検出を用いたCEラマーシー法が、CW-ODMRを上回る感度を示した。
• コンパクトでmmスケールのダイヤモンドNVセンサーが、遮蔽のない環境下でフェムトテスラ未満の感度を実証した。
• 勾配計構成により、環境下でpTレベルの磁場勾配感度が達成された。
• 本研究の結果は、ダイヤモンドNVセンサーが、環境下でpT～fT感度とmm3スケールの検出体積を有するフルレンジ量子磁気計として実現可能であることを裏付けた。