基于固态自旋群集的高分辨率宽频率范围磁光谱技术

由固态电子自旋组成的量子系统可作为窄带磁场的灵敏探测器。其中一种典型示例是金刚石中的氮空位（NV）中心，已被用于实现高空间和光谱分辨率的磁光谱。然而，NV金刚石光谱协议通常基于动态脱耦序列，由于对操控NV电子自旋的微波（MW）脉冲的技术要求，该方法受限于低频信号（$\lesssim{20}\,${}$MHz）。本文实验地演示了一种高分辨率磁光谱协议，通过在稠密NV群集中集成量子频率混合（QFM）效应，结合相位平均同步读出（CASR）技术，实现了宽范围信号频率检测和亚Hz级光谱分辨率。我们在10$\,$MHz至4$\,$GHz的频率范围内评估了该QFM-CASR协议的灵敏度。通过测量约0.6、2.4和4$\,$GHz处多频信号的光谱，我们展示出亚Hz级光谱分辨率、$\mathrm{nT}$级噪声底，以及误差小于$1^\circ$的精确相位测量。与当前用于窄带磁光谱的先进NV金刚石技术相比，QFM-CASR协议大大扩展了可检测的频率范围，使其能够应用于高频无线电频率（RF）和MW信号显微镜和分析，以及小样本$\mathrm{T}$级核磁共振（NMR）光谱。