[論文レビュー] Locking and Tracking Magnetic Resonance Spectra of NV- Center for Real-time Magnetometry using a Differential Photon-Rate Meter

Kapildeb Ambal, R. D. McMichael|arXiv (Cornell University)|Aug 16, 2018

Diamond and Carbon-based Materials Research参考文献 22被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、ダイヤモンド中の窒素・バケーション（NV−）中心を用いたリアルタイム磁気測定システムを提案する。微分光子率計とアクティブフィードバックを用いて、磁気共鳴ピークにロックオンし、追跡する。約6 μT/Hz¹/²の感度を達成し、110 μT/sを超える速度で変化する磁場を追跡可能であり、自動化されたデータ処理を伴う連続的で高帯域の磁場センシングを実現する。

ABSTRACT

We describe a real-time data processing and frequency control method to track peaks in optically detected magnetic resonance of nitrogen-vacancy centers in diamond. This procedure allows us to measure magnetic field continuously with sensitivity ~6 uT/Hz^{1/2} and to track resonances at sweep rates exceeding 110 uT/s. We use a custom-built differential photon rate meter and active feedback control to "lock" the microwave excitation frequency of the magnetic resonance. Our scheme covers a broad magnetic field range, limited by the frequency range of the microwave generator. This measurement procedure automates the processing of voltage pulse outputs from the photon counters, and it provides sensitivity comparable to traditional photon counting methods

研究の動機と目的

• ダイヤモンド中のNV−中心を用いた連続的・リアルタイム磁場センシングを可能にする。
• 従来の光子数カウント法の限界を克服し、データ処理とフィードバック制御を自動化する。
• 動的な磁場条件下でも高感度かつ高速に磁気共鳴ピークを追跡する。
• 可変周波数のマイクロ波源を用いて、NV−ベース磁気測定の運用範囲を拡張する。

提案手法

• 信号対雑音比を向上させるために、2つの検出ウィンドウ間の光子数の差を測定する独自開発の微分光子率計を用いる。
• 微分信号を基準値と比較することで、マイクロ波励起周波数をNV−中心の共鳴ピークにフィードバック制御でロックする。
• 光子カウンタからの電圧パルス出力をリアルタイムに処理し、マイクロ波源の制御信号を生成する。
• 広帯域の磁場範囲をカバーするため、可変周波数のマイクロ波発生器を用いる。その範囲は、発生器の周波数帯域幅に制限される。
• 磁場が変化する間でも、フィードバックループがマイクロ波周波数を継続的に調整し、共鳴状態を維持する。
• データ処理を自動化することで、手動によるピーク検出を排除し、リアルタイム動作を実現する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 動的な磁場条件下でも、リアルタイムフィードバックシステムはNV−中心の磁気共鳴にロックを維持できるか？
• RQ2 微分光子率計を用いたフィードバック制御NV−磁気測定器の、達成可能な感度とトラッキング帯域幅はどの程度か？
• RQ3 標準的な光子カウント法と比較して、微分光子率計技術は信号安定性と測定帯域幅をどのように向上させるか？
• RQ4 高い感度を維持したまま、急速な磁場変化をどの程度まで追跡できるか？
• RQ5 NV−ベース磁気測定において、自動化されたリアルタイム処理は、手動によるデータ解析を置き換え可能か？

主な発見

• 本システムは、約6 μT/Hz¹/²の磁場感度を達成しており、従来の光子カウント法と同等の性能を示す。
• フィードバックシステムにより、110 μT/sを超える磁場変化の追跡が可能であり、高い時間分解能を実現した。
• 微分光子率計によりノイズが低減され、信号安定性が向上し、信頼性の高いリアルタイム動作が可能になった。
• 光子カウンタ出力のデータ処理が自動化され、手動によるピーク検出が不要となった。
• 広範な磁場範囲で動作可能であり、制限要因はマイクロ波発生器の周波数チューニング範囲に限られる。
• フィードバックループは、急激な磁場スイープ時でさえも共鳴ロックを安定して維持でき、連続測定が可能となった。