論文の概要: Laser-enhanced quantum sensing boosts sensitivity and dynamic range
- arxiv url: http://arxiv.org/abs/2509.05204v1
- Date: Fri, 05 Sep 2025 16:07:23 GMT
- ステータス: 翻訳完了
- システム内更新日: 2025-09-08 14:27:25.643803
- Title: Laser-enhanced quantum sensing boosts sensitivity and dynamic range
- Title（参考訳）: レーザー量子センシングは感度とダイナミックレンジを増強する
- Authors: Florian Schall, Lukas Lindner, Yves Rottstaedt, Marcel Rattunde, Florentin Reiter, Rüdiger Quay, Roman Bek, Alexander M. Zaitsev, Takeshi Ohshima, Andrew D. Greentree, Jan Jeske,
- Abstract要約: ダイヤモンド中の窒素空孔(NV)中心に基づく磁気センサが、最も重要な固体量子センサとして登場した。
ここでは、制限を回避するレーザーしきい値磁力計に基づくNVシステムを示す。
その結果,670,fT/$sqrtmathrmHz$,280,$mathrmmu$Tのダイナミックレンジが得られた。
- 参考スコア（独自算出の注目度）: 29.749836788447226
- License: http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/
- Abstract: Magnetometers based on nitrogen-vacancy (NV) centers in diamond have emerged as the most important solid-state quantum sensors. However, ensembles are limited in optical contrast to typically a few percent and high-sensitivity variants usually possess only a few $\mathrm{\mu}$T dynamic range. Here, we demonstrate a laser threshold magnetometry-based NV system that avoids these limitations. By integrating the NV centers into a laser cavity and showing magnetic-field-dependent shifts of the laser threshold, we observe 100\,\% contrast with strong output signals up to 50\,mW. The resulting system exhibits a dynamic range of $\pm$280\,$\mathrm{\mu}$T with a photon-shot-noise-limited sensitivity of 670\,fT/$\sqrt{\mathrm{Hz}}$, which we demonstrate to improve super-linearly with contrast. The ratio of these sensing-relevant parameters, that can be traded at the cost of each other, marks an improvement factor of 780 over typical fluorescence-based readout and vapor cell sensors. Such performance improvements open the door to new generations of sensors for applications including magnetoencephalography, magnetic navigation, and magnetic anomaly detection.
- Abstract（参考訳）: ダイヤモンド中の窒素空孔(NV)中心に基づく磁気センサが、最も重要な固体量子センサとして登場した。
しかしながら、アンサンブルは光学コントラストでは通常数パーセントに制限されており、高感度な変種は通常、わずかに$\mathrm{\mu}$Tのダイナミックレンジしか持たない。
ここでは、これらの制限を回避したレーザーしきい値磁力計に基づくNVシステムを示す。
NV中心をレーザーキャビティに統合し、レーザー閾値の磁場依存性のシフトを示すことにより、50mWまでの強い出力信号と100\,\%のコントラストを観測する。
得られたシステムは670\,fT/$\sqrt{\mathrm{Hz}}$の光子ショットノイズ制限感度を持つ$\pm$280\,$\mathrm{\mu}$Tのダイナミックレンジを示す。
これらのセンサー関連パラメータの比率は、互いにコストで交換できるが、典型的な蛍光による読み出しと蒸気電池センサーよりも780倍向上している。
このような性能改善は、磁気脳波、磁気ナビゲーション、磁気異常検出などの応用のための新しい世代のセンサーへの扉を開く。
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