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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境條件下實現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境條件下實現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。該應用的主要優勢為靈敏度，它決定了在給定帶寬內信噪比 (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境要求，高靈敏度，寬頻帶和較強的光探測信號優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。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，因此可以根據能級劈裂來區分不同的 NV 色心。最簡單的實驗配置為，用綠激光非共振激發 NV 色心系綜進而產生紅色熒光信號，并由光電二極管探測，信號發生器將微波 (MW) 信號發送到靠近系綜的天線以驅動自旋躍遷 (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，在光激發下，暗態 |ms = ±1> 會衰減到長壽命的單態（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，因此這種連續波磁強測量方法比較慢。

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