[论文解读] DC Magnetometry at the $T_2$ Limit

Ashok Ajoy, Yixiang Liu+1 more|arXiv (Cornell University)|Nov 15, 2016

Magnetic Field Sensors Techniques被引用 3

一句话总结

本文提出了一种辅助比特介导的频率上转换技术，通过核自旋辅助比特将静态磁场转换为可探测的交流信号，实现了在$T_2$相干极限下的直流磁力计测量。该方法实现了量子锁相检测，噪声滤波带宽接近$1/T_2$，展现出约$6\mu$T/$\sqrt{\textrm{Hz}}$的灵敏度以及低于64 kHz的窄带噪声滤波，从而在纳米尺度上实现了高灵敏度矢量磁力计测量。

ABSTRACT

Sensing static or slowly varying magnetic fields with high sensitivity and spatial resolution is critical to many applications in fundamental physics, bioimaging and materials science. Several versatile magnetometry platforms have emerged over the past decade, such as electronic spins associated with Nitrogen Vacancy (NV) centers in diamond. However, their high sensitivity to external fields also makes them poor sensors of DC fields. Indeed, the usual method of Ramsey magnetometry leaves them prone to environmental noise, limiting the allowable interrogation time to the short dephasing time T2*. Here we introduce a hybridized magnetometery platform, consisting of a sensor and ancilla, that allows sensing static magnetic fields with interrogation times up to the much longer T2 coherence time, allowing significant potential gains in field sensitivity. While more generally applicable, we demonstrate the method for an electronic NV sensor and a nuclear ancilla. It relies on frequency upconversion of transverse DC fields through the ancilla, allowing quantum lock-in detection with low-frequency noise rejection. In our experiments, we demonstrate sensitivities better than 6uT/vHz, comparable to the Ramsey method, and narrow-band signal noise filtering better than 64kHz. With technical optimization, we expect more than an one order of magnitude improvement in each of these parameters. Since our method measures transverse fields, in combination with the Ramsey detection of longitudinal fields, it ushers in a compelling technique for sensitive vector DC magnetometry at the nanoscale.

研究动机与目标

• 为克服环境噪声和$1/f$噪声导致的$T_2^*$限制，提升直流磁力计测量性能。
• 实现长达$T_2$相干时间的长时间探测，以提高磁场灵敏度。
• 开发一种基于单个NV中心与核自旋辅助比特的高灵敏度矢量直流磁力计方法。
• 通过频率上转换与动力学解耦，实现对直流磁场的量子锁相检测。
• 实现接近$1/T_2$的噪声滤波带宽，以提升信噪比。

提出的方法

• 该方法利用氮-vacancy (NV) 中心的电子自旋作为传感器，并利用$^{14}\textrm{N}$核自旋作为辅助比特，将横向直流磁场上转换为可调谐频率$\omega_0$的振荡信号。
• 通过CPMG动力学解耦序列测量上转换后的交流信号，实现在$\omega_0$频率处的量子锁相检测。
• 该技术利用动力学解耦滤波器的窄带宽特性（$\sim 1/T_2$）有效抑制环境噪声与低频信号噪声。
• 应用量子插值技术，实现对信号峰的亚时间分辨率采样，实现约20.8 ps的采样分辨率。
• 采用蒙特卡洛拟合与误差传播方法，估算拟合参数的不确定性和实验误差条。
• 系统实现双带通滤波：同时滤除传感器噪声与信号噪声，有效将有效相干时间延长至$T_2$。

实验结果

研究问题

• RQ1 在NV中心磁力计中，是否能够实现以$T_2$为极限而非$T_2^*$的磁场测量灵敏度？
• RQ2 辅助比特介导的频率上转换是否能够实现对直流磁场的量子锁相检测？
• RQ3 该方法在信号与传感器环境两方面对低频噪声的抑制程度如何？
• RQ4 该技术是否能够通过量子插值实现对信号峰的亚时间分辨率采样？
• RQ5 在实际应用中，可实现的灵敏度与噪声滤波带宽是多少？

主要发现

• 该方法实现了约$6\mu$T/$\sqrt{\textrm{Hz}}$的磁场灵敏度，与传统的Ramsey方法相当。
• 窄带噪声滤波性能优于64 kHz，有效抑制了低频噪声。
• 量子插值实现了约20.8 ps的有效采样分辨率，远低于硬件时间分辨率，从而可在约60.45 ns处精确检测信号峰。
• 实验测得的信号线型与理论修正sinc函数高度吻合，仅存在轻微不对称性，验证了模型的准确性。
• 数据中观察到的Chevron图案与双自旋交换动力学一致，验证了量子插值过程的相干性与保真度。
• 通过技术优化，作者预测灵敏度与噪声滤波带宽均可提升十倍以上。