[论文解读] Polarization-assisted Vector Magnetometry in Zero Bias Field with an Ensemble of Nitrogen-Vacancy Centers in Diamond
本文提出了一种利用金刚石中氮-vacancy（NV）中心集合的偏振辅助矢量磁力计技术，可在无需外部偏置磁场的情况下实现弱磁场（≤0.1 mT）的完整矢量重构。通过利用选择性偏振的光学激发和线性偏振的微波场，该方法打破了ODMR谱中的简并，通过选择性激发特定NV取向，实现了磁场方向与大小的明确确定。该方法通过高空间分辨率测绘铁磁微结构的漏磁场得到验证。
We demonstrate vector magnetometry with an ensemble of nitrogen-vacancy (NV) centers in diamond without the need for an external bias field. The anisotropy of the electric dipole moments of the NV center reduces the ambiguity of the optically detected magnetic resonances upon polarized visible excitation. Further lifting of the remaining ambiguities is achieved via application of an appropriately linearly polarized microwave field, which enables suppression of spin-state transitions of a certain crystallographic NV orientation. This allows for the full vector reconstruction of small (less 0.1 mT) magnetic fields without an external bias field having to interfere with the magnetic structure.
研究动机与目标
- 通过消除对外部偏置磁场的需求，解决使用NV中心集合进行矢量磁力计时存在的模糊性问题。
- 解决在多晶金刚石样品中识别不同ODMR共振对应于何种NV取向的挑战。
- 仅通过激发和微波场的偏振控制，实现对小磁场（≤0.1 mT）的完整矢量重构。
- 在具有亚微米空间分辨率的铁磁微结构上展示该方法的可行性。
提出的方法
- 利用选择性偏振的光学激发，优先激发具有特定结晶取向的NV中心，从而减少集合中活跃的NV类型数量。
- 采用线性偏振的微波场，选择性抑制单一NV取向的跃迁，实现对单个磁场分量的选择性探测。
- 应用模型函数拟合作为激光偏振角函数的ODMR谱，以识别来自不同NV取向的共振贡献。
- 利用不同激光偏振下ODMR信号的角依赖性，区分金刚石晶格中四种可能的NV取向。
- 利用NV中心电偶极矩的各向异性，在无外部偏置的情况下打破ODMR谱的简并。
- 沿轨迹执行二维矢量磁力计扫描，以重构完整的漏磁场分布，并与COMSOL仿真结果进行比较。
实验结果
研究问题
- RQ1如何在无外部偏置磁场条件下，利用NV中心集合实现矢量磁力计测量，且不降低磁场方向的分辨率？
- RQ2激发激光的偏振在减少来自多种NV取向的ODMR谱模糊性方面起到何种作用？
- RQ3能否利用线性偏振的微波场选择性地调控集合中的单一NV取向？
- RQ4光学与微波偏振控制的结合如何实现对弱磁场的完整矢量重构？
- RQ5该方法在多大程度上能够以高空间分辨率映射纳米磁体中的复杂漏磁场分布？
主要发现
- 通过使用选择性偏振的光学激发，该方法成功消除了ODMR谱中的模糊性，将[111]入射几何下的活跃NV取向减少至两种。
- 线性偏振的微波场能够选择性抑制单一NV取向的跃迁，从而实现对磁场分量的明确识别。
- 该技术可实现对低至50 μT磁场的可靠检测，且已证明可重构高达0.1 mT的磁场。
- 对铁磁微结构的矢量磁场重构结果与COMSOL仿真高度一致，证实了该方法的准确性和空间分辨率。
- 该方法在宽温度范围内具有鲁棒性，从液氦温度至至少550 K，且与交流磁力计及纳米图案化金刚石兼容，可进一步提升分辨率。
- 通过假设磁场矢量在扫描路径上连续旋转，解决了磁场矢量重构中的残余符号模糊性，未来可采用圆偏振微波作为解决方案。
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