[논문 리뷰] Spin dynamics of diamond nitrogen-vacancy centres at the ground state level anti-crossing and all-optical low frequency magnetic field sensing

David A. Broadway, James D. A. Wood외 6명|arXiv (Cornell University)|2016. 07. 14.

Diamond and Carbon-based Materials Research인용 수 15

한 줄 요약

이 논문은 1024 G에서의 기본 상태 수준 반대측정(GSLAC) 근처 다이아몬드 내 질소빈란(V) 중심을 이용해 500 kHz까지 낮은 주파수에서 전적으로 광학적인 나노스케일 자기장 센싱을 구현한다. 잔류 횡방향 자기장에 의한 스핀 혼합과 縦방향 교환완화를 활용하여 핵 스핀 프리세션을 모방하는 변동하는 자기장을 탐지함으로써, 고주파수 구동 없이도 전적으로 광학적인 나노스케일 핵자기공명(NMR) 분광법을 가능하게 한다.

ABSTRACT

We investigate the photo-induced spin dynamics of single nitrogen-vacancy (NV) centres in diamond near the electronic ground state level anti-crossing (GSLAC), which occurs at an axial magnetic field around 1024 G. Using optically detected magnetic resonance spectroscopy, we first find that the electron spin transition frequency can be tuned down to 100 kHz for the \NV{14} centre, while for the \NV{15} centre the transition strength vanishes for frequencies below about 2 MHz owing to the GSLAC level structure. Using optical pulses to prepare and readout the spin state, we observe coherent spin oscillations at 1024 G for the \NV{14}, which originate from spin mixing induced by residual transverse magnetic fields. This effect is responsible for limiting the smallest observable transition frequency, which can span two orders of magnitude from 100 kHz to tens of MHz depending on the local magnetic noise. A similar feature is observed for the \NV{15} centre at 1024 G. As an application of these findings, we demonstrate all-optical detection and spectroscopy of externally-generated fluctuating magnetic fields at frequencies from 8 MHz down to 500 kHz, using a \NV{14} centre. Since the Larmor frequency of most nuclear spin species lies within this frequency range near the GSLAC, these results pave the way towards all-optical, nanoscale nuclear magnetic resonance spectroscopy, using longitudinal spin cross-relaxation.

연구 동기 및 목표

• 1024 G 근처의 기본 상태 수준 반대측정(GSLAC)에서 NV 중심의 스핀 동역학을 조사한다.
• 잔류 횡방향 자기장에 의한 스핀 혼합으로 인해 최소 탐지 전이 주파수에 제한이 생기는 이유를 이해한다.
• 단일 NV 중심을 이용해 저주파 자기장 노이즈(500 kHz–8 MHz)의 전적으로 광학적인 탐지를 실현한다.
• 종방향 스핀 교환완화를 통해 고주파수 구동 없이도 전적으로 광학적인 나노스케일 핵자기공명(NMR) 분광법을 가능하게 한다.
• 고순도 다이아몬드에서 100 kHz까지의 전이 주파수를 접근 가능하게 함을 보여주며, 일반 핵 스핀의 주파수에 가까워진다.

제안 방법

• GSLAC 근처의 14N 및 15N NV 중심의 스핀 동역학을 맵핑하기 위해 광학적으로 탐지된 자기공명(ODMR) 분광법을 사용한다.
• 광 펄스를 이용해 NV 스핀 상태를 준비하고 독취함으로써, 잔류 횡방향 자기장에 의해 유도된 공명 스핀 진동을 관찰할 수 있다.
• 이소토ropic으로 순수화된 CVD 다이아몬드 내 14N NV 중심을 사용하여 8 MHz에서 500 kHz까지의 외부 자기장을 주파수적으로 탐지한다.
• 근처의 도선을 통해 진동하는 전류를 이용해 자기장을 생성하며, 핵 스핀 프리세션을 모방하는 1 µT의 효과적 자기장 강도를 만든다.
• 광발광 대비를 최대화하고 저주파 탐지의 신호 대 노이즈 비율을 향상시키기 위해 측정 시간을 10 µs로 설정한다.
• NV 전자 스핀과 목표 스핀 간의 교환완화는 NV의 종방향 완화 시간(T₁)의 변화를 통해 순수하게 광학적으로 측정한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 GSLAC 근처의 NV 중심에서 최소 탐지 전이 주파수는 얼마이며, 무엇이 이 주파수를 제한하는가?
• RQ2 잔류 횡방향 자기장에 의한 스핀 혼합이 GSLAC에서 공명 스핀 진동에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 단일 NV 중심을 이용해 저주파(500 kHz–8 MHz)에서 변동하는 자기장을 전적으로 광학적으로 탐지할 수 있는가?
• RQ4 14N 및 15N NV 중심은 GSLAC 근처에서 핵 라르마 주파수와 호환되는 신호를 어느 정도 탐지할 수 있는가?
• RQ5 종방향 스핀 교환완화는 고주파수 구동 없이도 전적으로 광학적인 나노스케일 NMR 분광법을 가능하게 할 수 있는가?

주요 결과

• 고순도 다이아몬드에서 14N NV 중심의 전이 주파수는 국소 자기장 노이즈로 인해 100 kHz까지 조절 가능하다.
• 잔류 횡방향 자기장에 의한 스핀 혼합으로 인해 1024 G에서 공명 스핀 진동이 관측되며, 이는 최소 관측 주파수를 제한한다.
• 15N NV 중심의 경우 고유의 피하기 피하기 구조에 의한 회피 교차로 인해 최소 접근 가능한 전이 주파수는 약 2 MHz이다.
• 14N NV 중심을 사용해 1 µT 자기장 강도로 8 MHz, 4 MHz, 1 MHz 및 500 kHz에서의 자기장 탐지를 성공적으로 실현하였다.
• GSLAC 이전의 4 MHz 신호는 스핀 혼합로 인한 전이 강도 감소로 더 약해졌지만, 반대측정 이후에도 탐지 가능했다.
• 공명 피크의 반폭은 1 µT 자기장 강도에 의한 전력 넓힘에 의해 결정되며, 향상된 자기장 안정성으로 T₂* 한계에 가까운 좁은 피크를 얻을 수 있다.