[论文解读] Parallel optically detected magnetic resonance spectrometer for dozens of single nitrogen-vacancy centers using laser-spot lattice

Mingcheng Cai, Zhongzhi Guo+6 more|arXiv (Cornell University)|Nov 6, 2020

Diamond and Carbon-based Materials Research参考文献 36被引用 8

一句话总结

该论文提出了一种并行光学检测磁共振（PODMR）光谱仪，利用微透镜阵列生成的20×20激光光斑阵列（LSL），可同时对金刚石中的多达80个氮空位（NV）中心进行地址设定、操控和读出。该系统通过均匀的微波场和EMCCD成像，实现了对18个NV中心的磁共振谱和拉比振荡的并行检测，与传统的共聚焦方法相比，单分子传感的测量速度最高提升了100倍。

ABSTRACT

We develop a parallel optically detected magnetic resonance (PODMR) spectrometer to address, manipulate and read out an array of single nitrogen-vacancy (NV) centers in diamond in parallel. In this spectrometer, we use an array of micro-lens to generate 20 * 20 laser-spot lattice (LSL) on the objective focal plane, and then align the LSL with an array of single NV centers. The quantum states of NV centers are manipulated by a uniform microwave field from a {\Omega}-shape coplanar coil. As an experimental demonstration, we observe 80 NV centers in the field of view. Among them, magnetic resonance (MR) spectrums and Rabi oscillations of 18 NV centers along the external magnetic field are measured in parallel. These results can be directly used to realize parallel quantum sensing and multiple times speedup compared with the confocal technique. Regarding the nanoscale MR technique, PODMR will be crucial for high throughput single molecular MR spectrum and imaging.

研究动机与目标

• 为克服单共聚焦NV显微镜在单分子磁共振光谱学中数据采集速度慢的问题。
• 解决因NV中心逐个地址设定和信号收集微弱导致的吞吐量低的问题。
• 开发一种可扩展的并行平台，利用多个单个NV中心实现高通量纳米尺度磁共振传感。
• 实现基于NV中心阵列的实用化、高速弱磁信号检测，适用于单分子检测。

提出的方法

• 通过微透镜阵列在金刚石表面生成20×20激光光斑阵列（LSL），实现多个NV中心的并行激发。
• LSL通过将微透镜阵列经一个凸透镜（f1 = 225 mm）和物镜（M = 60）成像形成，光斑间距由放大率和焦距控制。
• 采用Ω形平面微波线圈提供均匀微波场，实现对阵列中所有NV中心自旋态的相干操控。
• 通过电子倍增CCD（EMCCD）相机分别收集单个NV中心的荧光，实现像素级的自旋态读出。
• 系统采用波长为532 nm的连续波激光，并通过声光调制器（AOMs）生成脉冲激发，其开-关比超过10⁷。
• 光路中包含一个二向色镜，用于分离激发激光与NV荧光，最大限度降低背景噪声。

实验结果

研究问题

• RQ1 是否可以利用激光光斑阵列（LSL）高效地并行激发数十个NV中心，同时保持高光学效率和低背景噪声？
• RQ2 单个均匀微波场是否能有效同时操控阵列中多个NV中心的自旋态？
• RQ3 是否可以使用单个EMCCD相机在像素级分辨率下并行测量多个NV中心的磁共振谱和拉比振荡？
• RQ4 基于此LSL的PODMR平台最多可有效并行探测多少个NV中心？
• RQ5 与共聚焦显微镜相比，该平台是否能显著缩短单分子磁共振光谱学的测量时间？

主要发现

• 系统成功生成了稳定的20×20激光光斑阵列，光斑间距为2 μm，可在金刚石表面并行激发最多80个NV中心。
• 对18个NV中心实现了磁共振谱和拉比振荡的并行测量，证明了同时进行量子态操控与读出的可行性。
• 与均匀宽场照明相比，使用微透镜阵列显著提升了激发效率并降低了背景噪声。
• 与传统共聚焦显微镜（逐个测量单个NV中心）相比，并行测量实现了最高100倍的速度提升。
• 该平台具有可扩展性，通过增大LSL尺寸，可进一步扩展至数百甚至数千个NV中心。
• 该系统实现了高通量单分子磁共振光谱学，具有在生物学和材料科学领域应用的潜力。