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基于 NV 色心系綜的磁強測量

簡介：

金剛石中的氮空位 (NV) 中心系綜因具有在通常環(huán)境條件下實現(xiàn)靈敏且寬視場的磁成像能力，因此可用作測量直流和交流磁場的傳感器。通過使用不同技術，實驗人員可使用 NV 色心來檢測從直流到幾 GHz 的頻率，帶寬可達到約 100 kHz。

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應用簡介

金剛石中的氮空位 (NV) 中心系綜因具有在通常環(huán)境條件下實現(xiàn)靈敏且寬視場的磁成像能力，因此可用作測量直流和交流磁場的傳感器。通過使用不同技術，實驗人員可使用 NV 色心來檢測從直流到幾 GHz 的頻率，帶寬可達到約 100 kHz。該應用的主要優(yōu)勢為靈敏度，它決定了在給定帶寬內(nèi)信噪比 (SNR) 為 1 時可以檢測到的最弱磁場強度。與單個 NV 色心相比，傳感體積中包含 N 個 NV 色心的系綜使靈敏度提高了√N，進而可以達到 pT/√Hz 水平。

此外，NV 色心系綜還可用于室溫下的寬視場磁成像。NV 色心在金剛石晶體內(nèi)有四種可能的主軸方向，因此系綜也可以用于矢量磁場的測量。使用 NV 色心作為傳感器通常依賴于光探測： NV 色心系綜產(chǎn)生的強信號使光探測只需使用普通的光電二極管，而無需使用昂貴且笨重的雪崩光電二極管。 NV 色心系綜較低的操作環(huán)境要求，高靈敏度，寬頻帶和較強的光探測信號優(yōu)勢使其成為磁力測量以及其他類型傳感測量的重要平臺。

測量方案

圖 1：NV 色心能級圖和共振微波頻率 ω_MW

使用 NV 色心系綜的傳感技術大致分為兩類：脈沖和連續(xù)波 (CW) 方法。盡管脈沖方法通常可以達到更高的靈敏度，但 CW 方法更易于實現(xiàn)。最常見的基于 CW 的測量方案是使用偏置磁場 Bz 來解簡并 |ms = ±1> 能級，如圖 1 所示，以便獨立測量能級布居。在外部磁場下，系綜中主軸方向不同 NV 色心的 |ms = ±1> 能級劈裂不同，因此可以根據(jù)能級劈裂來區(qū)分不同的 NV 色心。最簡單的實驗配置為，用綠激光非共振激發(fā) NV 色心系綜進而產(chǎn)生紅色熒光信號，并由光電二極管探測，信號發(fā)生器將微波 (MW) 信號發(fā)送到靠近系綜的天線以驅(qū)動自旋躍遷 (見圖2）。

圖 2：基于 NV 色心系綜的磁力測量實驗裝置

通過掃描 MW 頻率，同時記錄來自系綜的熒光信號。在 MW 頻率接近 |ms = 0> 到 |ms = ±1> 的共振頻率時，在光激發(fā)下，暗態(tài) |ms = ±1> 會衰減到長壽命的單態(tài)（參見圖 1)，進而觀察到熒光信號減小。當 MW 頻率與共振頻率相同時，熒光信號的變化記錄了光譜特性。雖然該方案實現(xiàn)起來比較簡單，但每次測量都記錄了所有光譜，因此這種連續(xù)波磁強測量方法比較慢。

推薦產(chǎn)品

選擇MFLI鎖相放大器的優(yōu)勢

━ MFLI 的低輸入噪聲可以實現(xiàn)更高的靈敏度，并縮短了測量時間。

━ 掃描和成像應用方面的快速測量或利用長積分來檢測微弱信號：MFLI 解調(diào)時間常數(shù)的設置范圍非常大，可適應于不同的實驗需求。

━ MFLI 內(nèi)部集成的 PID 控制器可以用于根據(jù)輸入熒光信號的變化來調(diào)節(jié)偏置場調(diào)制參數(shù)，從而實現(xiàn)鎖定 MW 躍遷，并降低了實驗設置的復雜性。

━ 使用 LabOne 控制軟件，您可以減少開發(fā)數(shù)據(jù)處理和可視化工具需要的時間：Scope 和 Plotter 等模塊可以顯示和記錄解調(diào)數(shù)據(jù)，DAQ 工具可將解調(diào)數(shù)據(jù)用于觸發(fā)測量。

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