Magnetometry with Ensembles of NV Centers

Ensembles von Stickstoffdefekten (NV) in Diamanten eignen sich gut als Sensoren für magnetische Gleich- und Wechselfelder, da sie bei gewöhnlichen Umgebungsbedingungen eine empfindliche magnetische Bildgebung mit großem Sichtfeld ermöglichen. Mit verschiedenen Techniken können Forscher NV-Zentren verwenden, um Frequenzen von DC bis zu mehreren GHz mit Bandbreiten bis zu etwa 100 kHz zu messen. Die wichtigste Kenngröße für solche Anwendungen ist die Messempfindlichkeit, welche durch die schwächste Feldstärke, die mit einem Signal-Rausch-Verhältnis (SRV) von eins in einer bestimmten Bandbreite erfasst werden kann, gegeben ist. Im Vergleich zu einzelnen NV-Zentren profitieren Ensembles, die N verschiedene NV-Zentren im Messvolumen umfassen, von einer √N -Verbesserung der Empfindlichkeit, sodass sie Empfindlichkeiten im Bereich von pT/√Hz erreichen können.

Ferner können Ensembles von NV-Zentren für die magnetische Weitfeld-Bildgebung bei Raumtemperatur verwendet werden. Da NV-Zentren vier mögliche Orientierungen innerhalb des Diamantkristalls haben, sind Ensembles auch für die Vektormagnetometrie geeignet. Das Messen mit NV-Zentren beruht in der Regel auf optischer Detektion: Ensembles von NV-Zentren erzeugen starke Signale, die den Einsatz von Einsatz von Photodioden anstelle der teureren und unhandlicheren Avalanche-Photodioden ermöglichen. Die Umgebungsbedingungen und die hohe Empfindlichkeit von NV-Zentren sowie ihr breiter Frequenzbereich und ihre starken Signale machen sie zu einem leistungsstarken Instrument für die Magnetometrie und andere Arten von Messungen.

Techniken zur Erfassung mit Ensembles von NV-Zentren lassen sich grob in zwei Kategorien einteilen: gepulste und kontinuierliche/CW-Verfahren. Obwohl gepulste Verfahren oft bessere Empfindlichkeiten erreichen, sind CW-Verfahren einfacher zu implementieren. Die gängigste CW-basierte Strategie verwendet ein Vormagnetisierungsfeld Bz. Wie in Abbildung 1 dargestellt, werden die Energieniveaus der Zustände |ms = ±1> aufgespalten, sodass die Zustände unabhängig voneinander gemessen werden können. Je nach Ausrichtung des äußeren Magnetfelds spalten sich die |ms = ±1>-Niveaus verschiedener NV-Orientierungen im Ensemble unterschiedlich stark auf. Dadurch können die NV-Orientierungen voneinander unterschieden werden. Im einfachsten Experiment regt ein grüner Laser das Ensemble der NV-Zentren mit nicht-resonantem Licht an, um ein rotes Fluoreszenzsignal zu erzeugen, das von einer Photodiode gemessen wird. In der Zwischenzeit sendet ein Signalgenerator Mikrowellensignale (MW-Signale) an eine Antenne in der Nähe des Ensembles, um Spinübergänge anzutreiben (siehe Abbildung 2).

Die MW-Frequenz wird dann während der Aufzeichnung des Fluoreszenzsignals des Ensembles moduliert (Frequenz-Sweep). Wenn die MW-Frequenz mit einem Übergang vom |ms = 0>-Zustand zu einem der |ms = ±1>-Zustände resonant wird, resonant wird, ist ein Abfall des Fluoreszenzsignals zu beobachten, da die Zustände |ms = ±1> Dunkel-Zustände sind, die bei optischer Anregung in einen langlebigen Singlet-Zustand zerfallen können (siehe Abbildung 1). Die Veränderung der Fluoreszenz bei resonanter MW-Frequenz ermöglicht die Aufnahme eines Spektrums. Dieser Ansatz der CW-Magnetometrie ist zwar einfach zu implementieren, aber extrem langsam, da bei jeder Messung das gesamte Spektrum aufgezeichnet wird.

Die CW-Magnetometrie mit Lock-In-Verstärkern bietet hier einen effektiveren Ansatz. Die MW-Frequenz wird zunächst so eingestellt, dass sie nahezu resonant mit einem der Übergänge ist und die MW-Frequenz auf der Steigung des Übergangs liegt. Die Modulation des Vormagnetisierungsfeldes Bz mit einer zeitlich veränderlichen Spannung aus einem Lock-In-Verstärker führt zu einem modulierten Fluoreszenzsignal an der Photodiode: Dieses kann dann mit dem Lock-In-Verstärker demoduliert werden, um das SRV zu verbessern (siehe Abbildung 2). Zusätzlich kann eine PID-Regelung eine Rückkopplung zum Fluoreszenzsignal liefern, indem sie einen Strom liefert, um das Vormagnetisierungsfeld zu verschieben, sodass der Übergang nicht aufgrund von Temperaturschwankungen im Laufe der Zeit aus dem Messbereich driftet. Mit seinem weiten Frequenzbereich, der hohen Ausgangsleistung, dem großen Dynamikbereich und den optionalen PID-Reglern kann der MFLI-Lock-In-Verstärker die Signale erzeugen, die zur Modulation des Vormagnetisierungsfeldes und zum Lock-In des modulierten Fotostroms benötigt werden.

Je nach Experimentaufbau spielen viele Faktoren bei der Bestimmung der Empfindlichkeit des Systems eine Rolle: Dazu gehören das gyromagnetische Elektronenverhältnis γNV, die Anzahl der NV-Zentren im Sensorvolumen und die Stärke des Fluoreszenzsignals aus dem Ensemble der NV-Zentren. Bei CW-Ansätzen kann eine durch Schrotrauchen begrenzte Empfindlichkeit durch die Verwendung schwacher optischer und MW-Antriebsfelder zur Unterbindung der Leistungsverbreiterung sowie durch die Auswahl von Lasern und Elektronik mit geringem Rauschen erreicht werden.

Benutzerfreundliche und zuverlässige Datenlogger und -plotter sind auch für die Überwachung der zeitlichen Entwicklung der Lock-in Messsignale unerlässlich. Die demodulierten Daten können sogar zum Triggern von anderen Messungen verwendet werden, z. B. bei der Messung von sich plötzlich ändernden Magnetfeldern. Das MFLI bietet eine Reihe fortschrittlicher integrierter Datenverarbeitungs- und Visualisierungstools, die zu einfacheren Konfigurationen führen, damit weniger Zeit für selbst erstellte Datenanalyselösungen aufgewendet werden muss.

• Das geringe Eingangsrauschen des MFLI ermöglicht bessere Empfindlichkeiten und verkürzt die Messzeit bei Ihrem Experiment.
• Führen Sie schnelle Messungen für Scan- und Bildgebungsanwendungen durch oder nutzen Sie lange Integrationszeiten, um schwache Signale zu erfassen: Die große Auswahl an Zeitkonstanten des MFLI ermöglicht Ihnen die Anpassung an die unterschiedlichsten experimentelle Anforderungen.

• Der integrierte PID-Regler des MFLI kann die Modulationsparameter des Vormagnetisierungsfeldes als Reaktion auf Änderungen des detektierten Fluoreszenzsignals rückkoppeln. Das wird Ihnen gestatten, die MW-Übergänge zu verfolgen und die Gesamtkomplexität Ihres Versuchsaufbaus zu reduzieren.
• Mit der LabOne-Steuerungssoftware sparen Sie Zeit bei der Entwicklung von Datenverarbeitungs- und Visualisierungstools: Module wie der Anwendungsbereich und der Plotter können die demodulierten Daten anzeigen und protokollieren und das DAQ-Tool kann die demodulierten Daten zum Triggern von weiteren Messungen verwenden.