[論文レビュー] Real-time Amplitude and Phase Estimation of AC Fields with Diamond Spins

C. T.-K. Lew, Samuel A. Wilkinson+4 more|arXiv (Cornell University)|Feb 27, 2026

Diamond and Carbon-based Materials Research被引用数 0

ひとこと要約

この論文は、NV集合スピンを用いたリアルタイムかつ位相感度の協調交流磁場の推定を、連続した測定1組で実現し、320 μsの分解能で1ショット振幅78 nT、位相63 mradを達成するとともに、周波数失調とリアルタイム周波数追跡効果を示す。

ABSTRACT

Nitrogen-vacancy centers in diamond have been shown to be capable of detecting AC magnetic fields with high sensitivity, spectral resolution, and spatial resolution. However, most studies so far have focused on the regime of time-averaged or time-correlated measurements, while little attention has been paid to the single-shot regime. Here we show that the amplitude and phase of an AC field can be retrieved from a single pair of two consecutive measurements. We demonstrate this concept by measuring a 4 MHz AC field with a per-shot amplitude and phase sensitivity of 78 nT and 63 mrad, respectively, at a temporal resolution of 320 us. We also investigate the effects and quantify the errors resulting from probe frequency detunings, as well as operating in the strong field regime. Moreover, we showcase the ability of the measurement protocol to dynamically change the probe frequency in real-time. This work advances the use of NV centers for real-time measurements of AC magnetic fields.

研究の動機と目的

• NV中心系の時系列平均を超えるリアルタイム・位相感度のACセンシングを動機づける。
• 単一の連続測定組でI成分とQ成分を抽出するプロトコルを開発する。
• 周波数のデチューニングと強磁場効果が測定精度とロバスト性に与える影響を分析する。
• 測定中に探針周波数を動的に調整してリアルタイム周波数追跡を実証する。
• NMR・材料科学・ワイヤレスセ sensingなどの急速なAC場特性評価を通じた潜在的応用を示す。

提案手法

• CPDD-XY8制御列を用いてセンシングプロトコルを実装するNV集合を使用する。
• AC探針場S(t)に応答して、固定の進化時間の間にスピン重ね合わせを用意し位相を蓄積する。
• Δt = (n + 1/4) T_ACで分離された測定の対からI(t)とQ(t)を取得し、振幅R(t)と位相φ(t)を復元する。
• 弱磁場近似の下でI ≈ A(T_evo) ξ cos(φ(t))、Q ≈ A(T_evo) ξ cos(φ(t)+π/2)とモデル化し、ξ = κ γ_NV R_test T_evo、κ ≈ 1/2（CPDD）を用いる。
• PLと場強との関係を線形フィットで較正し、勾配（4.85 mV/μT）を決定する。
• IQダイアグラム分析と理想化モデルを用いて、Δ = f_test − f_probe の存在下で長軸/短軸の変化とエリプシティを定量化し、デチューニングと高磁場効果を調べる。

Figure 1: Protocol for real-time magnetic field amplitude and phase estimation. (a) Bloch sphere representation of a TLS subject to a MW driving field and an AC probe field. (b) Phasor representation of the amplitude and phase of three different measurement points, plotted in terms of its I and Q co

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 単一の連続測定組で協調したリアルタイムの振幅と位相情報を同時に得られるのか？
• RQ2 周波数デチューニングと強磁場振幅が、このリアルタイムプロトコルのIQ表現（I–Q）の精度と幾何学にどのような影響を与えるのか？
• RQ3 時間分解能と感度の限界はどこにあり、試験信号周波数が変化する場合にどのようにリアルタイム追跡を実現するのか？
• RQ4 実時間で探針周波数を動的に調整して振幅と位相推定の正確さを維持することは可能か？
• RQ5 現実的な実験条件下でNV集合を用いたリアルタイムACセンシングを実施する際の実用的な考慮点と誤差源は何か？

主な発見

• 320 μsの時間分解能で、ショットごとの振幅と位相感度はそれぞれ78 nTと63 mradを達成。
• 正規化された振幅と位相の感度はおよそ1.7 nT/√Hzおよび1.2 mrad/√Hz。
• Allan偏差は約τ^−1/2挙動を100 ms程度まで示し、長時間スカラーで着色ノイズが現れる。
• CPDD共振とデチューニングΔはf_test = f_probeで振幅ピークを生み、IQ楕円の歪みと位相回転を引き起こし、主軸/副軸の変化とエリプシティで定量化される。
• 強磁場領域では位相ラップがIQダイアグラムを歪ませ、非対称性の一部は超微細相互作用とRabiデチューニングに起因。
• f_probeをf_testの変化に合わせて動的に調整することでリアルタイムの振幅・位相推定を正確に維持でき、320 μsのデータ点とCPDD繰り返し数Nが ~71 kHzのフィルタ幅を保つよう適応する。

Figure 2: Demonstration of real-time AC sensing. (a)(i) Measured PL response as a function of input AC magnetic field strength. The red solid line is expected behavior from theory following Eqs. 3a and 3b , with the slope of the fit equal $4.85$ mV/ $\upmu$ T. The residual is plotted in (ii). (b) Me