[论文解读] AC sensing using nitrogen vacancy centers in a diamond anvil cell up to 6 GPa
本研究在金刚石对顶砧（DAC）中高压条件下，利用金刚石内的氮空位（NV）中心实现了交流（AC）磁传感，最高压力达6 GPa。尽管由于微波场和压力分布不均匀性导致灵敏度下降，该方法仍实现了纳米升样品体积下的全光学、高分辨率磁共振，为极端高压下的核磁共振研究提供了新途径。
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.
研究动机与目标
- 开发一种在极端压力下对纳米升样品体积实现全光学高分辨率磁共振的方法。
- 克服传统基于法拉第感应的核磁共振在金刚石对顶砧中因样品体积小和技术限制带来的局限性。
- 展示利用NV中心实现交流磁传感，以检测最高达6 GPa压力下的动态磁场。
- 研究在高压条件下，光学检测磁共振（ODMR）用于检测核自旋进动的可行性。
- 识别并表征高压ODMR实验中灵敏度下降的来源。
提出的方法
- 利用合成金刚石中的氮空位（NV）中心作为量子传感器，用于磁场检测。
- 采用长工作距离物镜（50X，NA 0.40）激发并收集DAC中NV中心的荧光。
- 在金刚石对顶砧端面处布置一条直线状金天线，用于施加微波场以实现拉比振荡。
- 施加约29 mT的外磁场，方向与垂直方向成54.7°角，使NV轴沿[111]方向对齐，以实现最优ODMR。
- 通过横向扫描激光光斑（步长20 µm）对样品区域的拉比频率和荧光强度进行测绘。
- 将微波激发与光学读出同步，以实现对动态磁场的交流磁传感。
实验结果
研究问题
- RQ1能否在高达6 GPa的金刚石对顶砧中成功实现NV中心的交流磁传感？
- RQ2在使用NV中心的高压ODMR实验中，灵敏度下降的主要原因是什么？
- RQ3微波场不均匀性和压力梯度在DAC中如何影响交流磁传感的保真度？
- RQ4在极端压力下，全光学磁共振在纳米升样品体积中能多大程度上检测动态磁场？
- RQ5同步的微波激发与光学读出能否实现在高压环境下对核自旋进动的高分辨率检测？
主要发现
- 在金刚石对顶砧中成功实现了高达6 GPa的NV中心交流磁传感，实现了对动态磁场的全光学检测。
- 由于样品区域内微波场和压力分布的不均匀性，灵敏度在高压下有所降低。
- 对拉比频率和荧光强度的测绘揭示了与场和压力不均匀性一致的空间变化。
- 在微波场振幅约0.18 mT的条件下，实现了约50 ns的90°微波脉冲，对应拉比频率约5 MHz。
- 实验装置实现了微波激发与光学读出的同步，验证了在高压环境下交流磁传感的可行性。
- 本研究为未来在极端高压下实现纳米升体积的全光学高分辨率核磁共振奠定了基础，尤其适用于氢富集材料的研究。
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