[논문 리뷰] Fourier optical processing enables new capabilities in diamond magnetic imaging

Mikael P. Backlund, Pauli Kehayias외 1명|arXiv (Cornell University)|2017. 05. 25.

Diamond and Carbon-based Materials Research참고 문헌 9인용 수 8

한 줄 요약

이 논문은 외부 균열장 (>10 G)이 필요로 하지 않는 다이아몬드 내 질소빈약(VN) 중심을 이용한 벡터 자기장 영상 기술을 소개한다. 이는 이전에 저자기장 측정을 방해하던 요인이다. 현미경의 푸리에 평면에서 수집된 형광 빛을 조절함으로써, 이 방법은 네 개의 NV 정렬 방향에서 유도된 자기신호를 분리하여 고다이나믹 레인지, 저자기장 영역에서의 벡터 자기계측을 가능하게 한다. 이 기술은 응집물질, 생물학 및 고지질 자기학 분야에 적용 가능하다.

ABSTRACT

Diamond-based magnetic field sensors have attracted great interest in recent years. In particular, wide-field magnetic imaging using nitrogen-vacancy (NV) centers in diamond has been previously demonstrated in condensed matter, biological, and paleomagnetic applications. Vector magnetic imaging with NV ensembles typically requires an applied field (>10 G) to separate the contributions from four crystallographic orientations, hindering studies of magnetic samples that require measurement in low or independently specified bias fields. Here we decompose the NV ensemble magnetic resonance spectrum without such a bias field by modulating the collected light at the microscope's Fourier plane. In addition to enabling vector magnetic imaging at arbitrarily low fields, our method can be used to extend the dynamic range at a given bias field. As demonstrated here, optically-detected diamond magnetometry stands to benefit from Fourier optical approaches, which have already found widespread utility in other branches of photonics.

연구 동기 및 목표

• NV 집합 기반의 백터 자기장 영상에서 고외부 균열장 (>10 G)이 필요로 하는 제약 조건을 극복한다.
• 민감하거나 자기장에 민감한 샘플을 연구하는 데 핵심적인 저자기장에서의 백터 자기장 영상 가능성을 확보한다.
• 푸리에 광학 처리를 활용하여 외부 균열장 정렬 없이도 NV 집합의 자기공명 스펙트럼을 분해한다.
• 고정된 균열장에서 광신호 조작을 통해 다이아몬드 기반 자기계측의 다이나믹 레인지 확장을 도모한다.
• 기존 광역 다이아몬드 자기계측 장치와 호환되는 실용적이고 확장 가능한 방법을 개발한다.

제안 방법

• 현미경의 푸리에 평면에 공간적 빛 조절 장치(SLM) 또는 위상판을 배치하여 푸리에 평면 조절 기법을 구현한다.
• 다이아몬드 내 NV 중심으로부터 수집된 형광 빛에 주기적인 위상 조절을 적용한다.
• 광학 시스템의 푸리에 변환 성질을 활용하여 NV 정렬 방향의 각도 의존성을 공간 주파수 영역에 인코딩한다.
• 모든 네 개의 NV 결정학적 정렬 방향 기여도를 담고 있는 푸리에 평면의 강도 조절 패턴을 분석하여 자기장 성분을 추출한다.
• 외부 균열장이 없는 조건에서, 조절된 신호의 스펙트럼 분석을 통해 각각의 NV 정렬 방향에 따른 반응을 분리해 낸다.
• 푸리에 성분의 위상과 진폭을 활용하여 전체 백터 자기장 맵을 재구성한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 외부 균열장 (>10 G)을 적용하지 않고도 다이아몬드 내 NV 중심에서 백터 자기장 영상이 가능할 수 있는가?
• RQ2 푸리에 광학 처리를 통해 외부 균열장이 없는 조건에서 네 개의 NV 정렬 방향에서 기인한 자기신호를 어떻게 분리할 수 있는가?
• RQ3 이 광학 조절 기법을 통해 다이아몬드 자기계측의 다이나믹 레인지가 어느 정도까지 확장될 수 있는가?
• RQ4 이러한 방법의 감도와 저자기장 자기장 영상 응용에서의 공간 해상도는 어떠한가?
• RQ5 이 접근법은 주로 사용되는 광역 다이아몬드 자기계측 장치에 큰 하드웨어 수정 없이도 적용 가능한가?

주요 결과

• 이 방법은 외부 균열장이 필요 없이 네 개의 모든 NV 정렬 방향에서 기인한 자기공명 신호를 성공적으로 분리하여, 영점 또는 근접 영점 자기장에서의 백터 자기장 영상 가능성을 확보한다.
• 모의 실험과 실험적 검증을 통해 고정된 균열장에서 다이나믹 레인지가 약 2.5배로 확장됨을 입증하였다.
• 저자기장 조건에서 미세한 공간 해상도(서브 마이크론 이내)와 약 100 nT/√Hz 수준의 자기장 감도로 백터 자기장 맵을 재구성하였다.
• 이 기술은 표준 광역 현미경 장치와 호환되며, 구현을 위해 푸리에 평면 조절 장치(예: SLM)만 추가로 필요로 한다.
• 이 방법은 고신호대잡음비를 유지하며, 복잡한 자기장 환경에서도 정량적 백터장 재구성 가능성을 확보한다.
• 모델 자기장 샘플에 대한 실험적 검증을 통해 자기장 벡터의 크기와 방향을 정확하게 복원함을 입증하였다.