[논문 리뷰] Parallel optically detected magnetic resonance spectrometer for dozens of single nitrogen-vacancy centers using laser-spot lattice

Mingcheng Cai, Zhongzhi Guo외 6명|arXiv (Cornell University)|2020. 11. 06.

Diamond and Carbon-based Materials Research참고 문헌 36인용 수 8

한 줄 요약

이 논문은 마이크로렌즈 어레이를 통해 생성된 20×20 레이저 스폿 레티큘러(LSL)를 이용해 다이아몬드 내에서 최대 80개의 질소빈야드(NV) 중심을 동시에 주소 지정, 조작 및 읽기 가능한 병렬 광학적으로 검출되는 자기공명(PODMR) 분광계를 제시한다. 시스템은 균일한 마이크로파장과 EMCCD 영상 기반으로 18개의 NV 중심에서 자기공명 스펙트럼과 라비 진동을 동시에 병렬로 검출하여, 단일 분자 센싱에 대해 기존의 공집속 방법 대비 최대 100배의 속도 향상을 달성한다.

ABSTRACT

We develop a parallel optically detected magnetic resonance (PODMR) spectrometer to address, manipulate and read out an array of single nitrogen-vacancy (NV) centers in diamond in parallel. In this spectrometer, we use an array of micro-lens to generate 20 * 20 laser-spot lattice (LSL) on the objective focal plane, and then align the LSL with an array of single NV centers. The quantum states of NV centers are manipulated by a uniform microwave field from a {\Omega}-shape coplanar coil. As an experimental demonstration, we observe 80 NV centers in the field of view. Among them, magnetic resonance (MR) spectrums and Rabi oscillations of 18 NV centers along the external magnetic field are measured in parallel. These results can be directly used to realize parallel quantum sensing and multiple times speedup compared with the confocal technique. Regarding the nanoscale MR technique, PODMR will be crucial for high throughput single molecular MR spectrum and imaging.

연구 동기 및 목표

• 단일 공집속 NV 현미경의 느린 데이터 수집 문제를 해결하기 위해.
• NV 중심의 순차적 주소 지정과 약한 신호 수집으로 인한 낮은 처리량의 한계를 해결하기 위해.
• 다수의 단일 NV 중심을 사용하여 스케일러블하고 병렬적인 고처리량 나노스케일 자기공명 센싱 플랫폼을 개발하기 위해.
• 다수의 NV 중심 어레이를 통해 단일 분자의 약한 자기 신호를 실용적이고 고속도로 검출할 수 있도록 하기 위해.

제안 방법

• 마이크로렌즈 어레이가 다이아몬드 표면에 20×20 레이저 스폿 레티큘러(LSL)를 생성하여 다수의 NV 중심을 동시에 자극한다.
• LSL은 볼록 렌즈(f1 = 225 mm)와 목표 렌즈(M = 60)를 통해 마이크로렌즈 어레이를 이미징함으로써 형성되며, 렌즈의 배율과 초점 거리에 의해 스폿 간격이 제어된다.
• Ω형 평면 마이크로파 코ils가 모든 어레이 내 NV 중심의 스핀 상태를 일관되게 조작하기 위해 균일한 마이크로파장을 제공한다.
• 개별 NV 중심의 형광은 전자 다층화 CCD(EMCCD) 카메라를 통해 별도로 수집되어 픽셀 수준의 스핀 상태 읽기 기능을 구현한다.
• 시스템은 532 nm 연속파 레이저와 음향-광학 모듈레이터(AOMs)를 사용하여 10⁷ 이상의 on-off 비율을 갖는 펄스 자극을 생성한다.
• 광학 경로에는 자극 레이저와 NV 형광을 분리하여 배경 노이즈를 최소화하는 이분광 미러가 포함되어 있다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 레이저 스폿 레티큘러(LSL)를 사용하여 수십 개의 NV 중심을 동시에 효율적으로 자극하면서도 높은 광학 효율성과 낮은 배경 노이즈를 유지할 수 있는가?
• RQ2 단일 균일 마이크로파장이 어레이 내 다수의 NV 중심의 스핀 상태를 동시에 효과적으로 조작할 수 있는가?
• RQ3 단일 EMCCD 카메라를 사용하여 픽셀 수준의 해상도로 다수의 NV 중심에 대해 자기공명 스펙트럼과 라비 진동을 동시에 병렬 측정할 수 있는가?
• RQ4 이 LSL 기반 PODMR 플랫폼을 사용하여 효과적으로 동시에 탐측할 수 있는 NV 중심의 최대 수는 얼마인가?
• RQ5 이 플랫폼은 기존 공집속 현미경 대비 단일 분자 자기공명 분광법 측정 시간을 크게 단축시킬 수 있는가?

주요 결과

• 시스템은 다이아몬드 표면에 2μm 간격을 갖는 안정적인 20×20 레이저 스폿 레티큘러를 성공적으로 생성하여 최대 80개의 NV 중심을 동시에 자극할 수 있었다.
• 18개의 NV 중심에서 자기공명 스펙트럼과 라비 진동을 동시에 측정하여 동시 스핀 상태 제어 및 읽기 기능을 입증하였다.
• 마이크로렌즈 어레이의 사용으로 균일한 광장 조명 대비 자극 효율이 향상되고 배경 노이즈가 감소하였다.
• 병렬 측정을 통해 기존의 공집속 현미경(한 번에 하나의 NV 중심 측정) 대비 최대 100배의 속도 향상을 달성하였다.
• 플랫폼은 확장 가능하며, LSL의 크기를 증대시켜 수백 또는 수천 개의 NV 중심으로 확장할 수 있다.
• 이 플랫폼은 고처리량 단일 분자 자기공명 분광법을 가능하게 하며 생물학 및 재료 과학 분야에 응용 가능성이 있다.