[논문 리뷰] AC sensing using nitrogen vacancy centers in a diamond anvil cell up to 6 GPa

Zhipan Wang, Christopher McPherson외 5명|arXiv (Cornell University)|2021. 10. 12.

High-pressure geophysics and materials참고 문헌 63인용 수 9

한 줄 요약

이 연구는 다이아몬드 압력셀(DAC)에서 고압 조건 하에서 다이아몬드 내 질소빈자리(NV) 중심을 이용한 AC 자기장 센싱을 수행하여 최대 6 GPa까지 동기화된 읽기 읽기를 구현하였다. 마이크로파 필드 및 압력의 비균일성으로 인해 감도가 감소함에도 불구하고, 이 방법은 나노리터 수준의 샘플 부피에서 전적으로 광학적인 고해상도 자기공명을 가능하게 하여 극한의 압력에서 핵자기공명(NMR)을 위한 길을 열어준다.

ABSTRACT

Nitrogen-vacancy color centers in diamond have attracted broad attention as quantum sensors for both static and dynamic magnetic, electrical, strain and thermal fields, and are particularly attractive for quantum sensing under pressure in diamond anvil cells. Optically-based nuclear magnetic resonance may be possible at pressures greater than a few GPa, and offers an attractive alternative to conventional Faraday-induction based detection. Here we present AC sensing results and demonstrate synchronized readout up to 6 GPa, but find that the sensitivity is reduced due to inhomogeneities of the microwave field and pressure within the sample space. These experiments enable the possibility for all-optical high resolution magnetic resonance of nanoliter sample volumes at high pressures.

연구 동기 및 목표

• 극한의 압력 조건에서 나노리터 수준의 샘플 부피에서 고해상도 자기공명을 위한 전적으로 광학적인 방법을 개발하기 위해.
• 작은 샘플 부피와 기술적 제약로 인해 전통적인 파라데이 유도 기반 NMR이 DAC에서 제한을 받는 문제를 극복하기 위해.
• 최대 6 GPa의 압력에서 동적 자기장을 감지하기 위해 NV 중심을 이용한 AC 센싱을 구현하기 위해.
• 고압 조건에서 광학적으로 탐지되는 자기공명(ODMR)이 핵 스핀 프리세션 감지를 위해 가능한지 조사하기 위해.
• 고압 ODMR 실험에서 감도 저하의 원인을 규명하고 특성화하기 위해.

제안 방법

• 자기장 감지를 위한 양자 센서로 합성 다이아몬드 내 질소빈자리(NV) 중심을 사용한다.
• DAC 내 NV 중심을 자극하고 형광을 수집하기 위해 장거리 초점 거리의 목표 렌즈(50X, NA 0.40)를 활용한다.
• 다이아몬드 압력셀의 쿠렛을 가로질러 놓인 직선형 금속 안테나를 사용하여 라비 진동을 위한 마이크로파 필드를 적용한다.
• 최적의 ODMR를 위해 수직축에서 54.7° 각도로 외부 자기장을 약 29 mT로 적용하여 NV 축을 [111] 방향으로 정렬한다.
• 샘플 전역에서 라비 주파수와 형광 강도를 맵핑하기 위해 레이저 광점의 횡방향 스캐닝(20 µm 간격)을 수행한다.
• 마이크로파 자극과 광학적 읽기 간의 동기화를 통해 동적 필드의 AC 센싱을 가능하게 한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 최대 6 GPa의 압력에서 다이아몬드 압력셀에서 NV 중심을 이용한 AC 센싱이 성공적으로 구현될 수 있는가?
• RQ2 NV 중심을 이용한 고압 ODMR 실험에서 감도 저하의 주요 원인은 무엇인가?
• RQ3 마이크로파 필드의 비균일성과 압력 기울기가 DAC 내 AC 센싱의 정밀도에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 극한의 압력 조건에서 나노리터 수준의 샘플 부피에서 전적으로 광학적인 자기공명가 얼마나 잘 동적 필드를 감지할 수 있는가?
• RQ5 동기화된 마이크로파 자극과 광학적 읽기로 고압 환경에서 핵 스핀 프리세션의 고해상도 감지를 가능하게 할 수 있는가?

주요 결과

• NV 중심을 이용한 AC 센싱이 다이아몬드 압력셀에서 최대 6 GPa까지 성공적으로 구현되어 동적 자기장을 전적으로 광학적으로 감지할 수 있었다.
• 샘플 공간 전역에서 마이크로파 필드 및 압력 분포의 비균일성으로 인해 고압에서 감도가 저하되었다.
• 라비 주파수와 형광 강도가 샘플 전역에서 맵핑되었으며, 이는 필드 및 압력 비균일성과 일치하는 공간적 변동을 보였다.
• 마이크로파 필드 강도 약 0.18 mT에서 약 50 ns 지속 시간의 90° 마이크로파 펄스를 구현하여 라비 주파수 약 5 MHz를 달성하였다.
• 실험 설정을 통해 동기화된 광학적 읽기와 마이크로파 자극이 가능해져 고압 환경에서의 AC 센싱의 실현 가능성을 검증하였다.
• 결과적으로 이 연구는 향후 극한의 압력에서 나노리터 수준의 부피에서 전적으로 광학적인 고해상도 NMR을 위한 기초를 마련하였으며, 특히 수소가 풍부한 물질의 연구에 유용할 것이다.