[論文レビュー] Parallel optically detected magnetic resonance spectrometer for dozens of single nitrogen-vacancy centers using laser-spot lattice

Mingcheng Cai, Zhongzhi Guo+6 more|arXiv (Cornell University)|Nov 6, 2020

Diamond and Carbon-based Materials Research参考文献 36被引用数 8

ひとこと要約

本論文では、マイクロレンズアレイによって生成された20×20のレーザースポット格子（LSL）を用いて、ダイヤモンド内の最大80個の窒素・バリエーション（NV）中心を同時にアドレス指定、操作、読み出し可能とする並列光検出磁気共鳴（PODMR）分光計を提案する。このシステムは、一様なマイクロ波場とEMCCDイメージングを用いて18個のNV中心における磁気共鳴スペクトルおよびラビ振動を並列で検出可能であり、単一分子センシングにおける従来の共焦点法と比較して最大100倍の高速化を実現する。

ABSTRACT

We develop a parallel optically detected magnetic resonance (PODMR) spectrometer to address, manipulate and read out an array of single nitrogen-vacancy (NV) centers in diamond in parallel. In this spectrometer, we use an array of micro-lens to generate 20 * 20 laser-spot lattice (LSL) on the objective focal plane, and then align the LSL with an array of single NV centers. The quantum states of NV centers are manipulated by a uniform microwave field from a {\Omega}-shape coplanar coil. As an experimental demonstration, we observe 80 NV centers in the field of view. Among them, magnetic resonance (MR) spectrums and Rabi oscillations of 18 NV centers along the external magnetic field are measured in parallel. These results can be directly used to realize parallel quantum sensing and multiple times speedup compared with the confocal technique. Regarding the nanoscale MR technique, PODMR will be crucial for high throughput single molecular MR spectrum and imaging.

研究の動機と目的

• 単一共焦点NV顕微鏡による単一分子磁気共鳴分光法の遅いデータ取得を克服すること。
• NV中心の逐次的アドレス指定と弱い信号収集による低スルーレットの制限を解消すること。
• 複数の単一NV中心を用いたスケーラブルで並列な、ナノスケール磁気共鳴センシングのためのプラットフォームを開発すること。
• 複数のNV中心アレイを用いて、単一分子からの微弱な磁気信号を実用的で高速に検出可能にする。

提案手法

• マイクロレンズアレイがダイヤモンド表面に20×20のレーザースポット格子（LSL）を生成し、複数のNV中心を並列に励起する。
• LSLは、凸レンズ（f1 = 225 mm）およびオブジェクティブレンズ（M = 60）を通じてマイクロレンズアレイを像に投影することにより形成され、スポット間隔は倍率および焦点距離によって制御される。
• Ω型の共面マイクロ波コイルが、アレイ内のすべてのNV中心のスピン状態を一様にコherentに操作するための均一なマイクロ波場を提供する。
• 個々のNV中心からの蛍光は、電子増幅CCD（EMCCD）カメラによって別々に収集され、ピクセルレベルのスピン状態の単一ピクセル読み出しを可能にする。
• 532 nmの連続波レーザーとアクウストオプティカルモジュレータ（AOM）を用いて、10⁷以上のオンオフ比を持つパルス励起を生成する。
• 光学路には、励起レーザーとNV蛍光を分離するデイクロイックミラーが含まれており、バックグラウンドノイズを最小限に抑える。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 レーザースポット格子（LSL）を用いることで、数十個のNV中心を高効率かつ低バックグラウンドで並列に励起することが可能か？
• RQ2 1つの均一なマイクロ波場が、アレイ内の複数のNV中心のスピン状態を同時に効果的に操作できるか？
• RQ3 1台のEMCCDカメラを用いてピクセルレベルの分解能で、複数のNV中心の磁気共鳴スペクトルおよびラビ振動を並列で測定できるか？
• RQ4 このLSLベースのPODMRプラットフォームを用いて、効果的に同時にプローブ可能なNV中心の最大数はどの程度か？
• RQ5 このプラットフォームは、共焦点顕微鏡と比較して、単一分子磁気共鳴分光法の測定時間を顕著に短縮できるか？

主な発見

• 本システムは、ダイヤモンド表面に2 μmの間隔を保ちながら安定した20×20のレーザースポット格子を生成し、最大80個のNV中心を並列に励起可能であることを確認した。
• 18個のNV中心において、磁気共鳴スペクトルおよびラビ振動が並列で測定され、同時にスピン状態の制御と読み出しが実現した。
• マイクロレンズアレイの使用により、均一なワイドフィールド照明と比較して励起効率が向上し、バックグラウンドノイズが低減された。
• 並列測定により、従来の共焦点顕微鏡（1つのNV中心を1回に1回ずつ測定）と比較して最大100倍の高速化が達成された。
• 本プラットフォームはスケーラブルであり、LSLのサイズを拡大することで数百乃至数千個のNV中心に拡張可能である。
• 本システムは、生物学および材料科学分野への応用が期待される、高スルーレットな単一分子磁気共鳴分光法を実現する。