論文の概要: Quantum Limited Spatial Resolution of NV-Diamond Magnetometry

• arxiv url: http://arxiv.org/abs/2508.13438v1
• Date: Tue, 19 Aug 2025 01:39:03 GMT
• ステータス: 翻訳完了
• システム内更新日: 2025-08-20 15:36:31.762071
• Title: Quantum Limited Spatial Resolution of NV-Diamond Magnetometry
• Title（参考訳）: NVダイアモンド磁気メトリーの量子的空間分解能
• Authors: Nico Deshler, Declan Daly, Ayan Majumder, Kasturi Saha, Saikat Guha,
• Abstract要約: 本研究では,光空間モードデマルチプレクシング(SPADE)を用いて,サブ回折スケールでの局所化と輝度推定精度を向上させる。 我々は、サブ回折光検出磁気共鳴(ODMR)とRabiセンシング実験のためのプロトコルの統計的性能を数値的に評価した。
• 参考スコア（独自算出の注目度）: 0.6384650391969042
• License: http://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/4.0/
• Abstract: Optically addressable ensembles of solid-state defects, such as nitrogen vacancy (NV) centers, are a leading modality for imaging-based magnetometry, thermometry and strain sensing. However, monitoring the fluorescence of individual defects within a sub-diffraction ensemble remains an outstanding challenge that currently limits access to atomic-scale features and dynamics. For compact clusters of NVs, imaging-based atomic sensing may be formulated as a low-dimensional multiparameter estimation task in which one seeks to localize each defect and quantify the field strength in its immediate vicinity. In this work, we employ optical spatial mode demultiplexing (SPADE) to enhance localization and brightness estimation accuracy at sub-diffraction scales. Specifically, we develop a two-stage sensing protocol that augments direct imaging by projecting the incoming optical field onto point spread function (PSF)-adapted spatial modes and Yuen-Kennedy-Lax (YKL) spatial modes, enabling efficient extraction of emitter positions and brightnesses. We numerically evaluate the statistical performance of our protocol for sub-diffraction optically detected magnetic resonance (ODMR) and Rabi sensing experiments. Compared to conventional focal plane intensity measurements, our protocol improves emitter localization accuracy by $6\times$ and brightness estimation accuracy by $2\times$ for tightly confined ensembles, residing well below the diffraction limit.
• Abstract（参考訳）: 窒素空孔(NV)中心のような固体欠陥の光学的に対処可能なアンサンブルは、イメージングベースの磁気メトリー、温度測定、ひずみセンシングの主要なモダリティである。 しかし、サブ回折アンサンブル内の個々の欠陥の蛍光をモニタリングすることは、現在原子スケールの特徴や力学へのアクセスを制限している顕著な課題である。 NVのコンパクトクラスタでは、イメージングに基づく原子センシングは、各欠陥を局所化し、その近傍の磁場強度を定量化しようとする低次元のマルチパラメータ推定タスクとして定式化することができる。 本研究では,光空間モードデマルチプレクシング(SPADE)を用いて,サブ回折スケールでの局所化と輝度推定精度を向上させる。 具体的には、入射光場を点拡散関数(PSF)に適応した空間モードとYuen-Kennedy-Lax(YKL)空間モードに投影することで、直接撮像を強化し、エミッタ位置と明るさの効率的な抽出を可能にする2段階センシングプロトコルを開発した。 我々は、サブ回折光検出磁気共鳴(ODMR)とRabiセンシング実験のためのプロトコルの統計的性能を数値的に評価した。 従来の焦点面強度測定と比較すると, 回折限界よりかなり低い範囲で, 放射像定位精度を6\times$, 輝度推定精度を2\times$で改善する。

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