[论文解读] 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. Wood+6 more|arXiv (Cornell University)|Jul 14, 2016

Diamond and Carbon-based Materials Research被引用 15

一句话总结

该论文展示了利用金刚石中氮-vacancy (NV) 中心在约1024 G的基态能级反交叉（GSLAC）附近，实现频率低至500 kHz的全光学、纳米尺度磁场传感。通过利用残余横向磁场引起的自旋混合以及纵向交叉弛豫，实现了对模拟核自旋进动的波动磁场的探测，从而在无需射频驱动的情况下，实现了潜在的全光学纳米尺度核磁共振波谱学。

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.

研究动机与目标

• 研究约1024 G处基态能级反交叉（GSLAC）附近的NV中心自旋动力学。
• 理解由于残余横向磁场引起的自旋混合，对最小可检测跃迁频率的限制。
• 利用单个NV中心实现全光学检测低频磁场噪声（500 kHz–8 MHz）。
• 通过纵向自旋交叉弛豫实现全光学纳米尺度核磁共振（NMR）波谱学。
• 表明在高纯度金刚石中，100 kHz量级的跃迁频率可被探测，接近常见核自旋的频率。

提出的方法

• 使用光学探测磁共振（ODMR）光谱法，测绘14N和15N NV中心在GSLAC附近的自旋动力学。
• 采用光学脉冲制备和读出NV自旋态，以观察由残余横向磁场引起的相干自旋振荡。
• 使用同位素纯化的CVD金刚石中的14N NV中心，检测从8 MHz到500 kHz的外部施加磁场。
• 通过附近导线中的振荡电流产生磁场，生成1 µT均方根磁场，模拟核自旋进动。
• 将探测时间设为10 µs，以最大化荧光对比度，并增强低频探测的信噪比。
• 通过NV中心纵向弛豫时间（T₁）的变化，纯光学监测NV电子自旋与目标自旋之间的交叉弛豫。

实验结果

研究问题

• RQ1 NV中心在GSLAC附近可检测的最小跃迁频率是多少？其限制因素是什么？
• RQ2 残余横向磁场引起的自旋混合如何影响GSLAC处的相干自旋振荡？
• RQ3 能否利用单个NV中心实现对低频（500 kHz–8 MHz）波动磁场的全光学探测？
• RQ4 14N和15N NV中心在GSLAC附近对与核拉莫频率兼容的信号的探测能力如何？
• RQ5 纵向自旋交叉弛豫能否在无需射频驱动的情况下，实现全光学纳米尺度NMR波谱学？

主要发现

• 在高纯度金刚石中，14N NV中心的跃迁频率可调至100 kHz，受限于局部磁噪声。
• 由于残余横向磁场引起的自旋混合，在1024 G处观察到相干自旋振荡，这限制了可观察的最小频率。
• 对于15N NV中心，由于其超精细结构中固有的避数交叉，最小可访问跃迁频率约为2 MHz。
• 成功利用14N NV中心在8 MHz、4 MHz、1 MHz和500 kHz频率下实现全光学磁场探测，场强为1 µT。
• 在GSLAC之前，4 MHz信号因自旋混合导致跃迁强度降低而变弱，但在反交叉之后仍可探测。
• 共振线宽受1 µT场强引起的功率展宽支配，若磁场稳定性提高，线宽有望趋近T₂*极限。