[论文解读] Locking and Tracking Magnetic Resonance Spectra of NV- Center for Real-time Magnetometry using a Differential Photon-Rate Meter

Kapildeb Ambal, R. D. McMichael|arXiv (Cornell University)|Aug 16, 2018

Diamond and Carbon-based Materials Research参考文献 22被引用 4

一句话总结

本文提出一种基于金刚石中氮-vacancy（NV⁻）中心的实时磁力计系统，采用差分光子计数率计与主动反馈控制，实现对磁共振峰的锁定与追踪。系统实现约6 μT/Hz¹/²的灵敏度，并能以超过110 μT/s的速率追踪磁场变化，实现连续、高带宽的磁感应测量，且具备自动数据处理能力。

ABSTRACT

We describe a real-time data processing and frequency control method to track peaks in optically detected magnetic resonance of nitrogen-vacancy centers in diamond. This procedure allows us to measure magnetic field continuously with sensitivity ~6 uT/Hz^{1/2} and to track resonances at sweep rates exceeding 110 uT/s. We use a custom-built differential photon rate meter and active feedback control to "lock" the microwave excitation frequency of the magnetic resonance. Our scheme covers a broad magnetic field range, limited by the frequency range of the microwave generator. This measurement procedure automates the processing of voltage pulse outputs from the photon counters, and it provides sensitivity comparable to traditional photon counting methods

研究动机与目标

• 实现基于金刚石中NV⁻中心的连续、实时磁感应测量。
• 通过自动化数据处理与反馈控制，克服传统光子计数方法的局限性。
• 在动态磁场条件下，实现对磁共振峰的高灵敏度与快速追踪。
• 通过使用可调谐微波源，扩展基于NV⁻中心的磁力计工作范围。

提出的方法

• 使用定制的差分光子计数率计测量两个探测窗口之间光子计数的差异，提升信噪比。
• 通过将差分信号与参考值比较，主动反馈控制将微波激发频率锁定至NV⁻中心的共振峰。
• 实时处理光子计数器的电压脉冲输出，生成微波源的控制信号。
• 系统采用可调谐微波发生器，覆盖广泛的磁感应强度范围，其性能仅受发生器带宽限制。
• 反馈回路持续调节微波频率，以在磁场变化时保持共振。
• 该方法实现数据处理的自动化，取代人工峰值检测，支持实时运行。

实验结果

研究问题

• RQ1 在动态磁场条件下，实时反馈系统能否维持对NV⁻中心磁共振的锁定？
• RQ2 采用差分光子计数率计的反馈控制NV⁻磁力计，其可实现的灵敏度与追踪带宽是多少？
• RQ3 与标准光子计数相比，差分光子计数率技术在信号稳定性和测量带宽方面有何提升？
• RQ4 该系统在保持高灵敏度的同时，能够追踪多大程度的快速磁场变化？
• RQ5 自动化、实时处理能否取代基于NV⁻中心磁力计的人工数据分析？

主要发现

• 系统实现约6 μT/Hz¹/²的磁感应灵敏度，与传统光子计数方法相当。
• 反馈系统可实现超过110 μT/s的磁场变化追踪速率，展现出高时间分辨率。
• 差分光子计数率计降低噪声并提升信号稳定性，支持可靠的实时运行。
• 该方法实现对光子计数器输出的自动化数据处理，消除人工峰值检测需求。
• 系统可在宽广的磁感应强度范围内运行，其性能仅受微波发生器调谐带宽限制。
• 反馈回路在快速磁场扫描过程中仍能成功维持共振锁定，确保连续测量。