[論文レビュー] Polarization-assisted Vector Magnetometry in Zero Bias Field with an Ensemble of Nitrogen-Vacancy Centers in Diamond

Franz Münzhuber, Johannes Kleinlein+2 more|arXiv (Cornell University)|Jan 4, 2017

Diamond and Carbon-based Materials Research被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、外部バイアス磁界を必要とせず、弱い磁界（≤0.1 mT）の完全なベクトル再構成を可能にする、ダイヤモンド中の窒素・ボイド（NV）センターの集合を用いた偏光支援型ベクトル磁気測定技術を提示する。偏光選択的光学励起と線形偏光マイクロ波を用いることで、ODMRスペクトルの degeneracy（ degeneracy ）を解消し、特定のNV配向の選択的励起により、磁界の方向と大きさを明確に特定できる。この手法は、高空間分解能でフェロ磁性微小構造の漏れ磁界をマッピングすることで検証された。

ABSTRACT

We demonstrate vector magnetometry with an ensemble of nitrogen-vacancy (NV) centers in diamond without the need for an external bias field. The anisotropy of the electric dipole moments of the NV center reduces the ambiguity of the optically detected magnetic resonances upon polarized visible excitation. Further lifting of the remaining ambiguities is achieved via application of an appropriately linearly polarized microwave field, which enables suppression of spin-state transitions of a certain crystallographic NV orientation. This allows for the full vector reconstruction of small (less 0.1 mT) magnetic fields without an external bias field having to interfere with the magnetic structure.

研究の動機と目的

• 外部バイアス磁界を不要とするNVセンター集合を用いたベクトル磁気測定における曖昧性を解消すること。
• 多結晶ダイヤモンド試料における、複数のNV配向に対応するODMR共鳴ピークを特定する課題に対処すること。
• 励起およびマイクロ波の偏光制御のみを用いて、微小磁界（≤0.1 mT）の完全なベクトル再構成を可能とすること。
• 本手法の実用性を、サブミクロン空間分解能を有するフェロ磁性微小構造上での実験により示すこと。

提案手法

• 特定の結晶学的配向を持つNVセンターを優先的に励起する偏光選択的光学励起を用い、集合内の有効なNVタイプの数を減少させる。
• 線形偏光マイクロ波を用いて、特定のNV配向での遷移を選択的に抑制し、個々の磁界成分の測定を可能にする。
• レーザーの偏光角関数としてODMRスペクトルをフィットするモデル関数を適用し、異なるNV配向からの共鳴寄与を特定する。
• 変化するレーザー偏光角におけるODMR信号の角度依存性を用いて、ダイヤモンド格子内の4つの可能なNV配向を区別する。
• NVセンターの電気双極子モーメントの異方性を活用し、外部バイアスを用いずにODMRスペクトルのデゲネラシーを解除する。
• 2次元ベクトル磁気測定スキャンを経路に沿って実施し、全漏れ磁界分布を再構成し、COMSOLシミュレーションと比較する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 外部バイアス磁界ゼロの状態で、NV集合を用いたベクトル磁気測定を、磁界方向分解能を損なわずに行うにはどうすればよいか？
• RQ2 励起レーザーの偏光が、複数のNV配向からのODMRスペクトルの曖昧性をどのように低減するか？
• RQ3 線形偏光マイクロ波を用いて、集合内の特定のNV配向を効果的に選択的に励起できるか？
• RQ4 光学およびマイクロ波の偏光制御の組み合わせが、微小磁界の完全なベクトル再構成をどのように可能にするか？
• RQ5 この手法は、ナノマグネットの複雑な漏れ磁界分布を、どの程度の高空間分解能でマッピングできるか？

主な発見

• 偏光選択的光学励起を用いることで、ODMRスペクトルの曖昧性が解消され、[111]入射幾何における有効なNV配向数が2つにまで減少した。
• 線形偏光マイクロ波を用いることで、特定のNV配向での遷移が選択的に抑制され、磁界成分の明確な同定が可能になった。
• 本手法は、50 μTの微小磁界を信頼性を持って検出でき、0.1 mTまでの磁界再構成が実証された。
• フェロ磁性微小構造のベクトル磁界再構成はCOMSOLシミュレーションと良好に一致し、本手法の正確性と空間分解能が確認された。
• 本手法は液体ヘリウムから少なくとも550 Kまでの広い温度範囲で安定しており、AC磁気測定およびナノパターン加工ダイヤモンドと併用可能で、さらなる分解能向上が可能である。
• 磁界ベクトル再構成における残存する符号の曖昧性は、スキャン経路に沿って磁界ベクトルが連続的に回転すると仮定することで解消され、今後の解決策として円偏光マイクロ波の導入が提案されている。