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基于 NV 色心系综的磁强测量

简介：

金刚石中的氮空位 (NV) 中心系综因具有在通常环境条件下实现灵敏且宽视场的磁成像能力，因此可用作测量直流和交流磁场的传感器。通过使用不同技术，实验人员可使用 NV 色心来检测从直流到几 GHz 的频率，带宽可达到约 100 kHz。

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应用简介

金刚石中的氮空位 (NV) 中心系综因具有在通常环境条件下实现灵敏且宽视场的磁成像能力，因此可用作测量直流和交流磁场的传感器。通过使用不同技术，实验人员可使用 NV 色心来检测从直流到几 GHz 的频率，带宽可达到约 100 kHz。该应用的主要优势为灵敏度，它决定了在给定带宽内信噪比 (SNR) 为 1 时可以检测到的最弱磁场强度。与单个 NV 色心相比，传感体积中包含 N 个 NV 色心的系综使灵敏度提高了√N，进而可以达到 pT/√Hz 水平。

此外，NV 色心系综还可用于室温下的宽视场磁成像。NV 色心在金刚石晶体内有四种可能的主轴方向，因此系综也可以用于矢量磁场的测量。使用 NV 色心作为传感器通常依赖于光探测： NV 色心系综产生的强信号使光探测只需使用普通的光电二极管，而无需使用昂贵且笨重的雪崩光电二极管。 NV 色心系综较低的操作环境要求，高灵敏度，宽频带和较强的光探测信号优势使其成为磁力测量以及其他类型传感测量的重要平台。

测量方案

图 1：NV 色心能级图和共振微波频率 ω_MW

使用 NV 色心系综的传感技术大致分为两类：脉冲和连续波 (CW) 方法。尽管脉冲方法通常可以达到更高的灵敏度，但 CW 方法更易于实现。最常见的基于 CW 的测量方案是使用偏置磁场 Bz 来解简并 |ms = ±1> 能级，如图 1 所示，以便独立测量能级布居。在外部磁场下，系综中主轴方向不同 NV 色心的 |ms = ±1> 能级劈裂不同，因此可以根据能级劈裂来区分不同的 NV 色心。最简单的实验配置为，用绿激光非共振激发 NV 色心系综进而产生红色荧光信号，并由光电二极管探测，信号发生器将微波 (MW) 信号发送到靠近系综的天线以驱动自旋跃迁 (见图2）。

图 2：基于 NV 色心系综的磁力测量实验装置

通过扫描 MW 频率，同时记录来自系综的荧光信号。在 MW 频率接近 |ms = 0> 到 |ms = ±1> 的共振频率时，在光激发下，暗态 |ms = ±1> 会衰减到长寿命的单态（参见图 1)，进而观察到荧光信号减小。当 MW 频率与共振频率相同时，荧光信号的变化记录了光谱特性。虽然该方案实现起来比较简单，但每次测量都记录了所有光谱，因此这种连续波磁强测量方法比较慢。

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