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NV 센터 앙상블을 사용한 자기 측정

관련 제품 : MFLI , PID 컨트롤러

응용기술 설명

다이아몬드의 질소 결함(NV) 센터 앙상블(Ensembles)은, 주변 조건에서 민감하고 넓은 시야 자기 이미징을 수행할 수 있는 능력 덕분에, DC 및 AC 자기장의 유용한 센서를 만듭니다. 다양한 기술을 사용하여, 실험자는 NV 센터를 사용하여 최대 약 100kHz의 대역폭으로 DC에서 최대 수 GHz의 주파수를 감지할 수 있습니다. 이 응용기술의 주요 장점은 감도입니다. 감도는 주어진 대역폭에서 단일성의 신호 대 잡음 비(SNR)로 감지할 수 있는 가장 약한 자기장 강도를 지정합니다. 단일 NV 센터와 비교하여, 센싱 볼륨에서 N개의 서로 다른 NV 센터로 구성된 앙상블은 감도가 √N 향상되어, pT/√Hz 수준의 감도에 도달할 수 있습니다.

또한, NV 센터의 앙상블은 실온에서 광역 자기 영상 촬영에 사용될 수 있습니다. NV 센터는 다이아몬드 결정 내에 네 가지 가능한 방향을 가지고 있기 때문에, 앙상블은 벡터 자기 측정에도 사용될 수 있습니다. NV 센터를 통한 감지는 일반적으로 광학 감지에 의존합니다. NV 센터의 앙상블에 의해 생성되는 강력한 신호는 더 비싸고 번거로운 아밸랜츠 포토다이오드(avalanche photodiodes) 대신 포토다이오드를 사용할 수 있게 합니다. NV 센터 앙상블의 주변 작동 조건과 높은 감도는, 넓은 주파수 범위와 강력한 신호와 함께, 자기 측정 및 기타 유형의 감지를 위한 강력한 도구가 됩니다.

측정 전략

NV center level diagram

그림 1: NV center 레벨 다이어그램 및 공진 마이크로파 주파수 ωMW.

NV 센터의 앙상블로 감지하는 기술은 크게 펄스 및 연속파(cw) 접근의 두 가지 범주로 나뉩니다. 펄스 방식이 더 나은 감도에 도달하는 경우가 많지만, cw 방식은 구현하기가 더 간단합니다. 가장 일반적인 cw-기반 전략은 바이어스 자기장 Bz 를 사용하여 그림 1과 같이 |m s = ±1> 레벨을 분할하여, 상태를 독립적으로 측정할 수 있습니다. 외부 자기장의 방향에 따라 앙상블에서 서로 다른 NV 방향의 |m s = ±1> 레벨이 서로 다른 양으로 분할되므로, 이러한 NV 방향을 서로 구별할 수 있습니다. 가장 간단한 실험에서 녹색 레이저는 NV 센터의 앙상블을 공진 없이 여기시켜 포토다이오드에 의해 측정된 적색 형광 신호를 생성하고, 신호 발생기는 스핀 전환을 구동하기 위해 앙상블에 가까운 안테나에 마이크로파(MW) 신호를 보냅니다. (그림 2 참조).

그런 다음 앙상블의 형광 신호를 기록하는 동안 MW 주파수가 스위프됩니다. MW 주파수가 |ms = 0> 상태에서 |ms = ±1> 상태 중 하나로 전환되면서 공명 상태가 되면 형광 신호의 하강이 관찰됩니다. |ms = ±1> 상태는 광학적으로 들뜬 상태에서 장수명 싱글트 상태로 붕괴할 가능성이 있기 때문입니다(그림 1 참조).
MW 주파수가 공진할 때 형광의 변화는 스펙트럼을 기록할 수 있게 합니다. 구현은 간단하지만, 각 측정에 대해 전체 스펙트럼이 기록된다는 점을 고려하면 cw 자기 측정에 대한 이 접근 방식은 매우 느립니다.

Setup for continuous-wave magnetometry with ensembles of NV centers featuring the MFLI Lock-in Amplifier

그림 2: NV center 앙상블이 있는 자력 측정을 위한 실험 설정.

cw 자기 측정에 대한 보다 효과적인 접근 방법에는 락인앰플리파이어(락인증폭기)가 있습니다. MW 주파수는 먼저 전환 중 하나와 거의 공명하도록 조정되므로, MW 주파수는 전환의 기울기에 놓입니다. 락인증폭기의 시변 전압으로 바이어스 필드  Bz를 변조하면, 포토다이오드에서 변조된 형광 신호가 발생합니다. 그런 다음 락인증폭기를 사용하여, SNR을 개선하기 위해, 이 신호를 복조할 수 있습니다(그림 2 참조). 또한 PID 루프는 시간에 따른 온도 변동으로 인해 전환이 측정 영역 밖으로 표류하지 않도록, 바이어스 자기장을 이동시키는 전류를 공급하여 형광 신호에 대한 피드백을 제공할 수 있습니다. MFLI 잠금 증폭기는 넓은 주파수 범위, 고출력 및 동적 범위, 옵션인 PID 컨트롤러를 통해 바이어스 자기장을 변조하고, 변조된 광전류에 락인하는 데 필요한 신호를 생성할 수 있습니다.

수행되는 감지 실험의 유형에 따라, 전자 자기비(electron gyromagnetic ratio) γNV, 감지 볼륨 내의 NV 중심 수 및 NV 센터 앙상블의 형광 신호의 강도를 포함한, 많은 요인들이 계획의 민감도를 결정하는 역할을 합니다. cw 접근 방식에서는 전력 확대를 방지하기 위해 약한 광학 및 MW 구동 필드를 사용하고, 노이즈가 적은 레이저 및 전자 장치를 선택하여, 샷 노이즈 제한 감도에 도달할 수 있습니다.

사용자 친화적이고 신뢰할 수 있는 데이터 로거(data loggers) 및 플로터(plotters)는 락인(lock-in) 측정 신호가 시간에 따라 어떻게 변화하는지를 모니터링하는 데 필수적입니다. 복조된 데이터는 예를 들어, 갑자기 변화하는 자기장을 측정할 때 트리거 측정에도 사용할 수 있습니다. MFLI는 고급 내장 데이터 처리 및 시각화 도구 세트를 제공하여, home-built데이터 분석 솔루션에 소비하는 시간을 줄이는 간단한 설정이 가능하게 합니다.

취리히인스트루먼트 선택의 이점

  • MFLI의 낮은 입력 노이즈는 더 나은 감도를 제공하고 실험의 측정 시간을 줄입니다.
  • 스캐닝 및 이미징 응용기술 을 위해, 빠른 측정을 수행하거나, 약한 신호를 감지하기 위해 긴시간 통합을 활용하십시오. MFLI의 광범위한 시간 상수(time constants)를 통해 다양한 실험 요구 사항에 적응할 수 있습니다.
  • MFLI의 통합 PID 컨트롤러는, 감지된 형광 신호의 변화에 대한 응답으로 바이어스 필드 변조 매개변수를 피드백할 수 있으므로, MW 전환을 추적하고 실험 설정의 전반적인 복잡성을 줄이는 데 도움이 됩니다.
  • LabOne 제어 소프트웨어를 사용하면 데이터 처리 및 시각화 도구 개발 시간을 절약할 수 있습니다. 스코프 및 플로터와 같은 모듈은 복조된 데이터를 표시 및 기록할 수 있으며 DAQ 도구는 복조된 데이터를 사용하여 측정을 트리거 할 수 있습니다.

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