[논문 리뷰] Diamond magnetometry and gradiometry with subpicotesla DC sensitivity

Chen Zhang, Farida Shagieva외 12명|arXiv (Cornell University)|2020. 12. 31.

Diamond and Carbon-based Materials Research인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 저조도 조건에서 0.5 pT/Hz^1/2 감도를 달성하는 0.5 pT/Hz^1/2 감도를 가진 다이아몬드 내 질소빈자리(NV) 중심을 이용한 슈퍼피코테슬라 DC 자장 측정 및 기울기 측정을 수행한다. 연속파 광학적으로 탐지된 공명(CW-ODMR) 및 락인 검출를 이용한 연속적으로 자극된 라마지 방법을 비교함으로써, 차폐되지 않은 환경에서도 고감도 측정이 가능하게 하여, 다이아몬드 NV 센서를 전 범위, 소형 양자 자장계로 위치시킨다. 이는 pT-fT 감도를 가진다.

ABSTRACT

Nitrogen vacancy (NV) centers in diamond have developed into a powerful solid-state platform for compact quantum sensors. Here, we compare different DC magnetometry methods like, e.g. continuous-wave optically detected magnetic resonance (CW-ODMR) and continuously excited (CE-) Ramsey measurements combined with lock-in detection to achieve high sensitivity using low optical excitation intensities. We achieve a sensitivity of 0.5 pT/Hz^1/2 while retaining mm sized sensor form. We also demonstrate a gradiometer set up which achieves pT sensitivity in unshielded environments. Combined with previous efforts on the diamond AC magnetometry, the diamond magnetometer is promising to perform as a full range magnetometer with pT-fT sensitivity and mm3 sensing volume in ambient environments.

연구 동기 및 목표

• 저조도 조건에서 다이아몬드 내 질소빈자리(NV) 중심을 이용한 고감도 DC 자장 측정 기술 개발
• 연속파 광학적으로 탐지된 공명(CW-ODMR) 및 락인 검출를 이용한 연속적으로 자극된 라마지 방법을 비교하고 최적화
• 소형 mm 크기 센서 플랫폼을 이용해 차폐되지 않은 환경에서도 슈퍼피코테슬라 감도를 입증
• 환경 조건에서 향상된 자기장 기울기 탐지 능력을 위한 다이아몬드 NV 기울기 측정 기술 확장
• mm3 센싱 부피를 가진 pT-fT 감도를 가진 전 범위의 양자 자장계로서 다이아몬드 기반 NV 센서의 위치 정립

제안 방법

• 다이아몬드 내 NV 중심을 이용한 DC 자장 측정을 위해 연속파 광학적으로 탐지된 공명(CW-ODMR)을 활용
• 신호 대 잡음비와 감도 향상을 위해 락인 검출를 이용한 연속적으로 자극된(CE-) 라마지 측정을 적용
• 광손상과 가열을 최소화하면서도 고감도를 유지하기 위해 저조도 조건을 적용
• 자기장 기울기를 측정하기 위해 공간적으로 분리된 두 개의 NV 중심을 포함한 기울기계 구성을 구현
• 락인 검출와 위상 민감한 독출을 조합하여 저주파수 영역에서의 해상도 향상
• 실온에서의 환경 조건에서의 작동을 통해 실용적 적용 가능성 확보

실험 결과

연구 질문

• RQ1 저조도 조건에서 다이아몬드 내 NV 중심을 이용해 슈퍼피코테슬라 DC 자장 감도를 달성할 수 있는가?
• RQ2 저조도 조건에서 CE-Ramsey 락인 검출 방식과 CW-ODMR 방식의 감도 및 내구성 측면에서의 비교는 어떻게 되는가?
• RQ3 소형 mm 크기의 다이아몬드 NV 센서가 차폐되지 않은 환경에서도 pT 수준의 감도를 확보할 수 있는가?
• RQ4 환경 조건에서 다이아몬드 기반 기울기 측정의 성능 한계는 무엇인가?
• RQ5 다이아몬드 NV 센서가 mm3 센싱 부피를 가진 pT에서 fT 감도까지 전 범위의 자장계로 활용될 수 있는가?

주요 결과

• 저조도 조건과 최적화된 측정 프로토콜을 통해 0.5 pT/Hz^1/2의 DC 자장 감도를 확보함
• 저조도 조건에서 CE-Ramsey 락인 검출 방식이 CW-ODMR 방식보다 감도에서 뛰어남
• 소형 mm 크기의 다이아몬드 NV 센서가 차폐되지 않은 환경에서도 슈퍼피코테슬라 감도를 확보함
• 기울기계 구성이 환경 조건에서 pT 수준의 기울기 감도를 달성함
• 결과는 다이아몬드 NV 센서가 실내 환경에서 pT-fT 감도와 mm3 센싱 부피를 가진 전 범위의 양자 자장계로 활용될 수 있음을 뒷받침함