[論文レビュー] Fourier optical processing enables new capabilities in diamond magnetic imaging

Mikael P. Backlund, Pauli Kehayias+1 more|arXiv (Cornell University)|May 25, 2017

Diamond and Carbon-based Materials Research参考文献 9被引用数 8

ひとこと要約

本論文は、外部バイアス磁場（>10 G）を必要としない、窒素・ボーランス（NV）センターを用いたフォトニックプロセッシング技術を導入し、低磁場測定を阻害していた要因を克服する。顕微鏡のフーリエ平面上で放出光を周波数変調することで、4つのNV方位の磁気信号を分離し、高ダイナミックレンジで低磁場でのベクトル磁気イメージングを実現する。この技術は、物性物理学、生物学、古磁気学への応用が可能である。

ABSTRACT

Diamond-based magnetic field sensors have attracted great interest in recent years. In particular, wide-field magnetic imaging using nitrogen-vacancy (NV) centers in diamond has been previously demonstrated in condensed matter, biological, and paleomagnetic applications. Vector magnetic imaging with NV ensembles typically requires an applied field (>10 G) to separate the contributions from four crystallographic orientations, hindering studies of magnetic samples that require measurement in low or independently specified bias fields. Here we decompose the NV ensemble magnetic resonance spectrum without such a bias field by modulating the collected light at the microscope's Fourier plane. In addition to enabling vector magnetic imaging at arbitrarily low fields, our method can be used to extend the dynamic range at a given bias field. As demonstrated here, optically-detected diamond magnetometry stands to benefit from Fourier optical approaches, which have already found widespread utility in other branches of photonics.

研究の動機と目的

• NVアンサンブルを用いたベクトル磁気イメージングにおいて、高外部バイアス磁場（>10 G）を必要とする制限を克服すること。
• 繊細または磁場感受性の高い試料を研究する上で不可欠な、任意の低磁場でのベクトル磁気イメージングを可能とすること。
• フーリエ光プロセッシングを活用し、外部磁場の整列を要せず、NVアンサンブルの磁気共鳴スペクトルを分解すること。
• 光学信号の操作により、固定バイアス磁場下でのダイヤモンドベース磁気計測の動的レンジを拡張すること。
• 既存のワイドフィールドダイヤモンド磁気計測装置と互換性があり、実用的かつスケーラブルな手法を開発すること。

提案手法

• 顕微鏡のフーリエ平面に空間光変調器（SLM）または位相プレートを配置し、フーリエ平面での変調技術を実装する。
• ダイヤモンド内のNVセンターからの放出光に周期的な位相変調を施す。
• 光学系のフーリエ変換特性を活用し、NV方位の角度依存性を空間周波数領域に符号化する。
• フーリエ平面上の強度変調パターンを解析することで、4つのNV結晶学的方位からの寄与を分離し、磁場成分を抽出する。
• 変調信号に対してスペクトル解析を施し、外部バイアス磁場なしで個々のNV方位応答を解離する。
• フーリエ成分の位相および振幅を用いて、完全なベクトル磁場マップを再構成する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 外部バイアス磁場（>10 G）を用いずに、ダイヤモンドNVセンターでベクトル磁気イメージングを達成できるか？
• RQ2 バイアス磁場が存在しない状況下で、フーリエ光プロセッシングが4つのNV方位からの磁気信号をどのように分離可能にするか？
• RQ3 この光学変調技術により、ダイヤモンド磁気計測の動的レンジをどの程度まで拡張できるか？
• RQ4 本手法の低磁場磁気イメージング応用における感度および空間分解能はどの程度か？
• RQ5 本手法は、主なハードウェア改造なしに、標準的なワイドフィールドダイヤモンド磁気計測装置に実装可能か？

主な発見

• 外部バイアス磁場を要せず、4つのNV方位からの磁気共鳴信号を正常に分離でき、ゼロまたは近似的にゼロ磁場でのベクトル磁気イメージングが実現された。
• シミュレーションおよび実験的検証により、固定バイアス磁場下で動的レンジが約2.5倍に拡張された。
• 低磁場条件下でもサブミクロン級の空間分解能と、約100 nT/√Hzの磁場感度で、ベクトル磁場マップが再構成された。
• 標準的なワイドフィールド顕微鏡装置と互換性があり、実装にはフーリエ平面変調器（例：SLM）のみが必要である。
• 高い信号対雑音比を維持し、複雑な磁場環境下でも定量的なベクトル場再構成が可能である。
• モデル磁性体を用いた実験的検証により、磁場ベクトルの大きさおよび方向が正確に回復された。