論文の概要: Investigation and comparison of measurement schemes in the low frequency
biosensing regime using solid-state defect centers
- arxiv url: http://arxiv.org/abs/2109.13028v1
- Date: Mon, 27 Sep 2021 13:05:23 GMT
- ステータス: 処理完了
- システム内更新日: 2023-03-13 11:51:54.752053
- Title: Investigation and comparison of measurement schemes in the low frequency
biosensing regime using solid-state defect centers
- Title（参考訳）: 固体欠陥センターを用いた低周波バイオセンシングシステムにおける測定手法の検討と比較
- Authors: Andreas F.L. Poulsen, James L. Webb, Kirstine Berg-S{\o}rensen, Ulrik
Lund Andersen and Alexander Huck
- Abstract要約: ダイヤモンドの固体欠陥は、高い感度と時間分解能を持つ有望な量子センサーを作る。
不均質な拡張と駆動振幅の変動は、使用したセンシング方式によって感度に異なる影響を及ぼした。
連続波(CW)光磁気共鳴(ODMR)分光法, πパルスODMR法, ラムゼー干渉法に基づくスキームの予測感度を数値解析し, 比較した。
- 参考スコア（独自算出の注目度）: 58.720142291102135
- License: http://arxiv.org/licenses/nonexclusive-distrib/1.0/
- Abstract: Ensembles of solid state defects in diamond make promising quantum sensors
with high sensitivity and spatiotemporal resolution. The inhomogeneous
broadening and drive amplitude variations across such ensembles have differing
impacts on the sensitivity depending on the sensing scheme used, adding to the
challenge of choosing the optimal sensing scheme for a particular sensing
regime. In this work, we numerically investigate and compare the predicted
sensitivity of schemes based on continuous-wave (CW) optically detected
magnetic resonance (ODMR) spectroscopy, pi-pulse ODMR and Ramsey interferometry
for sensing using nitrogen-vacancy centers in the low-frequency (<10 kHz) range
typical for signals from biological sources. We show that inhomogeneous
broadening has the strongest impact on the sensitivity of Ramsey
interferometry, and drive amplitude variations least impact the sensitivity of
CW ODMR, with all methods constrained by the Rabi frequency. Based on our
results, we can identify three different regions of interest. For inhomogeneous
broadening less than 0.3 MHz, typical of diamonds used in state of the art
sensing experiments, Ramsey interferometry yields the highest sensitivity. In
the regime where inhomogeneous broadening is greater than 0.3 MHz, such as for
standard optical grade diamonds or in miniaturized integrated devices, drive
amplitude variations determine the optimal protocol to use. For low to medium
drive amplitude variations, the highest sensitivity is reached using pi-pulse
ODMR. For high drive amplitude variations, relevant for widefield microscopic
imaging, CW ODMR can yield the best sensing performance.
- Abstract（参考訳）: ダイヤモンド中の固体欠陥の集合は、高い感度と時空間分解能を持つ有望な量子センサーを作る。
このようなアンサンブル間の不均一な拡張および駆動振幅の変動は、使用するセンシング方式によって感度に異なる影響を及ぼし、特定のセンシング方式に最適なセンシング方式を選択することが課題となった。
本研究では,生物源からの信号に典型的な低周波(10kHz)域の窒素空孔中心を検知するために,連続波(CW)光磁気共鳴法(ODMR)分光法,ピパルスODMR法,ラムゼー干渉法(Ramsey interferometry)に基づくスキームの予測感度を数値解析し,比較する。
本研究では,不均一な拡張がラムゼイ干渉計の感度に最も強い影響を与え,CW ODMRの感度に最小限の振幅変化を誘導し,Rabi周波数に制約されるすべての方法を示す。
この結果に基づいて,3つの異なる関心領域を同定できる。
アートセンシング実験で用いられるダイヤモンドの典型的な0.3MHz以下の不均一な拡張では、ラムゼー干渉計が最も感度が高い。
標準光学グレードダイヤモンドや小型集積デバイスなど、不均一な拡張が0.3MHzを超える状態においては、駆動振幅の変動が最適なプロトコルを決定する。
低速から中速の駆動振幅の変動は、piパルスodmrを用いて最高感度に達する。
高駆動振幅の変動は、広視野顕微鏡画像に関係し、cw odmrは最高のセンシング性能が得られる。
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