論文の概要: Absorption-Based Diamond Spin Microscopy on a Plasmonic Quantum Metasurface

• arxiv url: http://arxiv.org/abs/2011.04885v2
• Date: Sat, 21 Nov 2020 22:55:57 GMT
• ステータス: 処理完了
• システム内更新日: 2023-04-24 19:25:07.312095
• Title: Absorption-Based Diamond Spin Microscopy on a Plasmonic Quantum Metasurface
• Title（参考訳）: プラズモニック量子表面における吸収型ダイヤモンドスピン顕微鏡
• Authors: Laura Kim, Hyeongrak Choi, Matthew Trusheim, and Dirk Englund
• Abstract要約: ダイヤモンド中の窒素空孔(NV)センターは、主要な量子センサープラットフォームとして出現している。 プラズモニック量子センシングメタサーフェス(PQSM)は、局在表面プラズモンポラリトン共鳴と長距離レイリー・ウード異常モードを組み合わせたものである。
• 参考スコア（独自算出の注目度）: 0.0
• License: http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
• Abstract: Nitrogen vacancy (NV) centers in diamond have emerged as a leading quantum sensor platform, combining exceptional sensitivity with nanoscale spatial resolution by optically detected magnetic resonance (ODMR). Because fluorescence-based ODMR techniques are limited by low photon collection efficiency and modulation contrast, there has been growing interest in infrared (IR)-absorption-based readout of the NV singlet state transition. IR readout can improve contrast and collection efficiency, but it has thus far been limited to long-pathlength geometries in bulk samples due to the small absorption cross section of the NV singlet state. Here, we amplify the IR absorption by introducing a resonant diamond metallodielectric metasurface that achieves a quality factor of Q ~ 1,000. This "plasmonic quantum sensing metasurface" (PQSM) combines localized surface plasmon polariton resonances with long-range Rayleigh-Wood anomaly modes and achieves the desired balance between field localization and sensing volume to optimize spin readout sensitivity. From combined electromagnetic and rate-equation modeling, we estimate a sensitivity below 1 nT/Hz$^{1/2}$ per um$^2$ of sensing area using numbers for present-day NV diamond samples and fabrication techniques. The proposed PQSM enables a new form of microscopic ODMR sensing with infrared readout near the spin-projection-noise-limited sensitivity, making it appealing for the most demanding applications such as imaging through scattering tissue and spatially-resolved chemical NMR detection.
• Abstract（参考訳）: ダイヤモンド中の窒素空隙(nv)中心は、光学的に検出された磁気共鳴(odmr)による超高感度とナノスケールの空間分解能を組み合わせた量子センサープラットフォームとして登場した。 蛍光ベースのodmr技術は低フォトン集光効率と変調コントラストによって制限されているため、nv一重項状態遷移の赤外線吸収に基づく読み出しへの関心が高まっている。 赤外線の読み出しはコントラストと収集効率を向上させることができるが,NV一重項状態の吸収断面積が小さいため,バルク試料中の長波長のジオメトリーに制限されている。 ここでは,同調性ダイヤモンドメタロジエレクトリックメタサーフェスを導入することで赤外線吸収を増幅し,q〜1000のクオリティ係数を得る。 このPQSMは、局在した表面プラズモンポラリトン共鳴と長距離レイリー・ウード異常モードを結合し、フィールドローカライゼーションとセンシングボリュームの間の望ましいバランスを達成し、スピン読み出し感度を最適化する。 電磁場とレート方程式の組み合わせから,現在のNVダイヤモンド試料および製造技術を用いて,1nT/Hz$^{1/2}$ per um$^2$以下の感度を推定した。 提案したPQSMは、スピン投射雑音に制限された感度付近の赤外読み出しによる新しい顕微鏡ODMRセンシングを可能にし、散乱組織を透過するイメージングや空間分解された化学NMR検出などの最も要求される応用にアピールする。

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