[論文レビュー] Millimeter-scale rigid diamond probe for high sensitivity endoscopic-magnetometry applications

Jihongbo Shen, Heng Yuan+7 more|arXiv (Cornell University)|Feb 4, 2026

Diamond and Carbon-based Materials Research被引用数 0

ひとこと要約

要約は英語のままです。 paper はミリメートルスケールの硬質ダイアモンド磁力計プローブを示し、光学設計の最適化と、4 mm 直径内で蛍光収集を37%向上させるミニ CPC レンズを備えた円錐台状ダイアモンドを用いることで、200 pT/Hz1/2 の感度を達成する endoscopic 応用を目指しています。

ABSTRACT

Magnetometry based on diamond nitrogen-vacancy (NV) centers has been extensively studied for applications requiring diverse capabilities, spanning from nanometer spatial resolution to subpicotesla sensitivity. Among various applications, diamond magnetometers can demonstrate high sensitivity magnetic sensing within millimeter-scale size for endoscopic applications. However, the trade-off between sensitivity and spatial resolution of diamond magnetometry makes it difficult to achieve such a probe. In this study, we present a millimeter-scale rigid diamond magnetometer probe with enhanced sensitivity via optimizing the optical design. By coupling the frustum diamond with the miniaturized compound parabolic concentrator (CPC) lens, we enhance the fluorescence collection efficiency by 37% within 4 mm diameter, and the achieved sensitivity is 200 pT/Hz1/2 based on the sample with the resonance linewidth of ~8 MHz. With this verified structure, endoscopes with mm-size probe and picotesla sensitivity can be projected for surgical and industrial applications in the future.

研究の動機と目的

• 内視鏡アプリケーション向けにミリメートルスケールのプローブで高感度磁気検出を実現する動機付け。
• 感度を向上させつつ空間分解能を犠牲にしない光学設計のバランス。
• 蛍光収集を最適化して rigid mm-scale ダイアモンドプローブを実証。
• frustum ダイアモンド-CPC 構成による収集効率と感度の改善を定量化。

提案手法

• frustum ダイアモンドを小型コンパウンドパラボリック concentrator (CPC) レンズに結合し蛍光収集を増強。
• 蛍光収集効率の改善を特徴づけ（4 mm 直径内で 37%として報告）。
• 磁気共鳴線幅（約 8 MHz）を測定し磁計感度（200 pT/Hz1/2）を推定。
• 内視鏡への組込み可能性を検証するためrigid mm-scale プローブ構造を検証。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ミリメートルスケールのダイアモンド磁力計は内視鏡使用に適した高感度を達成できるか。
• RQ2 frustum ダイアモンド結合と CPC による光学設計最適化が蛍光収集と全体的感度にどう影響するか。
• RQ3 内視鏡構成での mm-scale NV中心磁力計の達成可能な感度と線幅制約は何か。
• RQ4 提案プローブ幾何学は mm-scale 内視鏡および将来のピコテスラレベル感度に適合するか。

主な発見

• 共鳴線幅約 8 MHzで 200 pT/Hz1/2 の感度を達成。
• frustum ダイアモンドと CPC レンズにより 4 mm 直径内で蛍光収集効率を 37%向上。
• 内視鏡導入の可能性を高める光学設計を備えたミリメートルスケール硬質ダイアモンド磁力計プローブを実証。
• 将来的な課題としてmmサイズの内視鏡でピコテスラ感度を達成する可能性を示唆。
• mmサイズの内視鏡磁力計アプリケーションに向けた検証済み構造を提供。