論文の概要: High-resolution, Wide-frequency-range Magnetic Spectroscopy with Solid-state Spin Ensembles

• arxiv url: http://arxiv.org/abs/2412.02040v2
• Date: Wed, 04 Dec 2024 21:44:37 GMT
• ステータス: 翻訳完了
• システム内更新日: 2024-12-06 11:19:23.489132
• Title: High-resolution, Wide-frequency-range Magnetic Spectroscopy with Solid-state Spin Ensembles
• Title（参考訳）: 固体スピンアンサンブルを用いた高分解能広周波数磁気分光
• Authors: Zechuan Yin, Justin J. Welter, Connor A. Hart, Paul V. Petruzzi, Ronald L. Walsworth,
• Abstract要約: 我々は、高密度NVアンサンブルにおける量子周波数混合(QFM)効果とコヒーレント平均同期読み出し(CASR)を融合した高分解能磁気分光プロトコルを実験的に実証した。 我々は、このQFM-CASRプロトコルの感度を10$,$MHz から 4$,$GHz の周波数範囲で評価する。 狭帯域磁気分光のための最先端のNVダイアモンド技術と比較して、QFM-CASRプロトコルは検出可能な周波数範囲を大幅に拡張する。
• 参考スコア（独自算出の注目度）: 0.0
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• Abstract: Quantum systems composed of solid-state electronic spins can be sensitive detectors of narrowband magnetic fields. A prominent example is the nitrogen-vacancy (NV) center in diamond, which has been employed for magnetic spectroscopy with high spatial and spectral resolution. However, NV-diamond spectroscopy protocols are typically based on dynamical decoupling sequences, which are limited to low-frequency signals ($\lesssim{20}\,$MHz) due to the technical requirements on microwave (MW) pulses used to manipulate NV electronic spins. In this work, we experimentally demonstrate a high-resolution magnetic spectroscopy protocol that integrates a quantum frequency mixing (QFM) effect in a dense NV ensemble with coherently averaged synchronized readout (CASR) to provide both a wide range of signal frequency detection and sub-Hz spectral resolution. We assess the sensitivity of this QFM-CASR protocol across a frequency range of 10$\,$MHz to 4$\,$GHz. By measuring the spectra of multi-frequency signals near 0.6, 2.4 and 4$\,$GHz, we demonstrate sub-Hz spectral resolution with a nT-scale noise floor for the target signal, and precise phase measurement with error $<1^\circ$. Compared to state-of-the-art NV-diamond techniques for narrowband magnetic spectroscopy, the QFM-CASR protocol greatly extends the detectable frequency range, enabling applications in high-frequency radio frequency (RF) and MW signal microscopy and analysis, as well as tesla-scale nuclear magnetic resonance (NMR) spectroscopy of small samples.
• Abstract（参考訳）: 固体電子スピンからなる量子系は、狭帯域磁場の感度検出器となる。 著名な例として、ダイヤモンド中の窒素空孔(NV)中心があり、高空間分解能とスペクトル分解能を持つ磁気分光法に用いられている。 しかしながら、NV-ダイヤモンド分光プロトコルは通常、NV電子スピンを操作するために用いられるマイクロ波(MW)パルスの技術的要求のため、低周波信号(\lesssim{20}\,$MHz)に制限される動的デカップリングシーケンスに基づいている。 本研究では、高密度NVアンサンブルにおける量子周波数混合(QFM)効果と、コヒーレント平均化同期読み出し(CASR)を統合し、幅広い信号周波数検出とサブHzスペクトル分解の両方を提供する高分解能磁気分光プロトコルを実験的に実証する。 周波数範囲10$\,$MHz から 4$\,$GHz までの QFM-CASR プロトコルの感度を評価する。 我々は、0.6,2.4,4$\,$GHz付近のマルチ周波数信号のスペクトルを測定することで、ターゲット信号のnTスケールノイズフロアを用いたサブHzスペクトル分解能と、誤差$<1^\circ$による正確な位相測定を実証する。 狭帯域磁気分光のための最先端のNVダイアモンド技術と比較して、QFM-CASRプロトコルは検出可能な周波数範囲を大幅に拡張し、高周波無線周波数(RF)およびMW信号顕微鏡および分析、および小さな試料のテラスケール核磁気共鳴(NMR)分光への応用を可能にした。

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