[論文レビュー] Phase-modulated cavity magnon polaritons as a precise magnetic field probe

N. Crescini, G. Carugno+1 more|arXiv (Cornell University)|Sep 30, 2020

Atomic and Subatomic Physics Research参考文献 54被引用数 8

ひとこと要約

本論文では、YIG-スフィアを有する銅共振器に結合された位相変調型キャビティ磁気モード極小波（CMPs）を用いた常温RF磁界センサを提案する。外部RF磁界によってポンプ周波数に誘発されるサイドバンドを検出することで、220 MHzで2.0 pT/√Hzの感度を達成し、理論的予測では常温で8 fT/√Hz、低温では1 fT未満の感度が期待される。

ABSTRACT

We describe and operate a novel spin-magnetometer based on the phase modulation of cavity magnon polaritons. In this scheme a rf magnetic field is detected through the sidebands it induces on a pump, and the experimental configuration allows for a negligible pump noise and a high frequency readout. The demonstrator setup, based on a copper cavity coupled to an yttrium iron garnet sphere hybrid system, reached a sensitivity of $2.0\,\mathrm{pT/\sqrt{Hz}}$, evading the pump noise and matching the theoretical previsions. An optimized setup can attain a rf magnetic field sensitivity of about $8\,\mathrm{fT/\sqrt{Hz}}$ at room temperature. An orders of magnitude improvement is expected at lower temperatures, making this instrument one of the few magnetometers accessing the sub-fT limit. Due to its natural applications, miniaturization and multiplexing are eventually discussed.

研究の動機と目的

• 超低磁界検出に適した高感度で常温で動作する磁界センサの開発を目的とする。
• 冷却が必要なSQUIDやシールド型SERF磁力計の限界を克服し、サイズに依存しない高帯域動作を実現することを目的とする。
• YIG-スフィアを用いたキャビティ磁気モード極小波系への結合によって、マイクロ波ポンプの位相変調を活用し、ノイズに強く耐性のある磁界検出を実現することを目的とする。
• 最新の磁力計と同等の感度を実現しながら、常温で動作させる。

提案手法

• マイクロ波キャビティをイットリアイronガーネット（YIG）スフィアと結合させることで、光子-磁気モードハイブリッド系（PMHS）を形成し、キャビティモードと磁気モード共鳴との強い結合を実現する。
• 上位ハイブリッドモード周波数（ω₂）に単色のマイクロ波ポンプを印加し、静的バイアス磁界B₀に平行な外部RF磁界b₁により、このポンプ周波数が位相変調を受ける。
• 位相変調により、ω₂ ± ω_bのサイドバンドが生成され、その中で最も強い成分は、下位ハイブリッドモード周波数ω₁と一致する条件を満たす。
• ω₁におけるサイドバンドのパワーを検出することで、摂動を及ぼすRF磁界b₁を測定可能であり、フィルタリングと周波数選択的検出によりポンプノイズが最小限に抑えられる。
• システムは強い結合状態（g₂₁ > γ₁,₂）にあり、明確な反クロスイング分散を示し、高感度を実現する。
• 変換係数αγは∂ω₁,₂/∂B₀から導出され、これは有効ギロモード比を低下させ、ハイブリッド状態において磁界感度を向上させる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 キャビティ磁気モード極小波を用いて、常温で超高感度な超低RF磁界を検出可能か？
• RQ2 PMHSにおけるポンプ周波数の位相変調が、弱いRF磁界のノイズに強く耐性のある検出をどのように可能にするか？
• RQ3 このようなシステムの理論的および実験的感度限界は何か？ また、既存の磁力計と比較してどうなるか？
• RQ4 キャビティ-磁気モード結合を最適化し、低温で動作させることで、感度をどの程度向上できるか？

主な発見

• 実証装置は220 MHzで2.0 pT/√Hzの磁界感度を達成し、理論予測と一致し、ポンプノイズを回避した。
• サイズに依存しない感度を常温で実現しており、医療画像、通信、基礎物理学分野への応用が可能である。
• 最適化された装置では、常温で約8 fT/√Hzの感度が予測され、最新の磁力計と同等の性能を示す。
• 低温では感度が1桁向上すると予想され、1 fT未満の磁界検出が可能になる可能性がある。
• ラーモア共鳴に平行なRF磁界の結合による位相変調メカニズムにより、数MHzから数GHzの高周波数読み出しを実現できる。
• ポンプとサイドバンド検出ラインを分離する波ガイドフィルタの使用により、バックグラウンドノイズが著しく低減され、信号対ノイズ比が向上した。