[論文レビュー] Widefield quantum microscopy with nitrogen-vacancy centers in diamond: Strengths, limitations, and prospects

Sam C. Scholten, Alexander J. Healey+4 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2021

Diamond and Carbon-based Materials Research参考文献 201被引用数 110

ひとこと要約

この論文はダイヤモンド中のワイドフィールド窒素空位（NV）顕微鏡についてレビューし、ナノスケール分解能で磁場、電場、応力場を高スループットかつ非侵襲的にイメージングする点での強みを強調している。空間分解能、感度、使用性の面での現在の限界を評価し、材料科学、生物学、エレクトロニクス分野における実用的で高性能な量子顕微鏡を実現するための主要な技術的進歩を提示している。

ABSTRACT

A dense layer of nitrogen-vacancy (NV) centers near the surface of a diamond can be interrogated in a widefield optical microscope to produce spatially resolved maps of local quantities such as magnetic field, electric field, and lattice strain, providing potentially valuable information about a sample or device placed in proximity. Since the first experimental realization of such a widefield NV microscope in 2010, the technology has seen rapid development and demonstration of applications in various areas across condensed matter physics, geoscience, and biology. This Perspective analyzes the strengths and shortcomings of widefield NV microscopy in order to identify the most promising applications and guide future development. We begin with a brief review of quantum sensing with ensembles of NV centers and the experimental implementation of widefield NV microscopy. We then compare this technology to alternative microscopy techniques commonly employed to probe magnetic materials and charge flow distributions. Current limitations in spatial resolution, measurement accuracy, magnetic sensitivity, operating conditions, and ease of use are discussed. Finally, we identify the technological advances that solve the aforementioned limitations and argue that their implementation would result in a practical, accessible, high-throughput widefield NV microscope

研究の動機と目的

• 集団NV中心を用いたワイドフィールドNV顕微鏡の現在の能力と限界を評価すること。
• 磁場、電場、応力場をプローブするための従来の顕微鏡技術と比較して、ワイドフィールドNV顕微鏡の性能を評価すること。
• 空間分解能、磁気感度、運用の複雑さといった、広範な採用を妨げる主な技術的障壁を特定すること。
• 科学的および産業的応用分野における高スループットでアクセス可能かつ高性能なツールとしてのワイドフィールドNV顕微鏡を実現するための今後の技術的進歩を明示すること。
• 感度、分解能、実験の簡便さのトレードオフを分析することで、次世代量子顕微鏡の開発を導くこと。

提案手法

• ダイヤモンド表面に近い位置に高密度に配置された窒素空位（NV）中心を、ナノスケールの磁場および電場センサーとして用いる。
• カメラを用いたワイドフィールド光学顕微鏡法により、レーザー励起およびマイクロ波制御下でのNV集団からの光励起を同時にイメージングする。
• 光検出磁気共鳴（ODMR）を用い、マイクロ波周波数関数としてのスピン依存光励起強度を測定することで、局所的な場の変動をマッピングする。
• バイアス磁場およびマイクロ波アンテナを用いてNVスピン遷移を調整・プローブし、漏れ磁場の定量的マッピングを可能にする。
• ベイズ推論および正則化を含む画像再構成技術を用い、磁場マップから電流密度または磁化分布を回復する。
• SQUID顕微鏡、電子ホログラフィー、磁気光学イメージングといった従来技術と比較して、空間分解能、磁気感度、SN比といった性能指標を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ワイドフィールドNV顕微鏡は、磁場および電場イメージングにおいて従来の顕微鏡技術と比べて、どのような主な強みを有しているか？
• RQ2 空間分解能、感度、運用の複雑さの観点から、現在のワイドフィールドNV顕微鏡の主な限界は何か？
• RQ3 SQUID、電子顕微鏡、磁気光学イメージングといった既存技術と比較して、ワイドフィールドNV顕微鏡の性能指標はどのように異なるか？
• RQ4 現在の限界を克服し、高スループットで実用的な量子顕微鏡を実現するためには、どのような技術的進歩が求められるか？
• RQ5 ワイドフィールドNV顕微鏡は、どのような科学的および技術的応用分野で最も有望であり、その理由は何か？

主な発見

• 個々のNV中心がナノスケールに存在するにもかかわらず、光学回折およびNV集団のサイズに起因する制限により、ワイドフィールドNV顕微鏡の空間分解能は最大で400 nmに留まっている。
• 本手法により、静的および動的磁場、電場、格子応力場の定量的マッピングが1ショットでワイドフィールドイメージングにより可能となり、サンプルの高スループット分析が可能である。
• 現在の実装では、室温で約100 nT/√Hzの磁気感度に達しており、NVのコherenecyと検出効率の向上によりさらなる改善が期待できる。
• グラフェンにおける2次元電流分布（例：粘性ディラック流体の挙動）のイメージング、van der Waals材料中の磁気渦、ミツバチの歯におけるバイオ磁場のイメージングに成功している。
• 古磁気学、鉱物磁気学、電子デバイスの特性評価への応用は、地質学、生物学、凝縮系物理学分野における本手法の多様性を示している。
• 今後の改善策として、単一NV検出、光学集光の向上、超伝導マイクロ波共振器との統合が挙げられ、感度を1 nT/√Hz未満、分解能を100 nm未塔にまで向上させ、広範な採用を可能にする可能性を秘めている。