基于 NV 掺杂晶体中 Diamond 微晶体的集成光纤矢量磁计：运用上-tip 场偏置

在磁场量子感测中，Nitrogen-Vacancy (NV) 中心在 Diamond 中的群体具有高灵敏度、高带宽和卓越的空间分辨率，同时可在恶劣环境下工作。此外，NV 缺陷中心沿四个晶轴排列形成内在坐标系，使其在单个 Diamond 单晶中实现矢量磁测量。虽然大多数矢量磁计依赖已知的偏置磁场以实现三维场信息的完整恢复，但使用外部 3D Helmholtz 线圈或永磁体会导致体积大、实验室化 setup，阻碍设备 miniaturization。本文提出一种新方法，利用集成在光纤 tip 上的微型线圈产生局部单轴磁场。该光纤 tip 线圈同时用于自旋控制，通过将直流信号与微波信号在 bias tee 中组合实现。为在单轴偏置场下实现矢量磁测量，我们预先选定 Diamond 单晶的取向方向，并通过旋转静态磁场在三个旋转平面上对其进行完全表征。我们展示了在 shot-noise 灵敏度为 $19.4\:\textrm{nT/Hz}^{1/2}$ 且 microscale 空间分辨率下，实现了全角度矢量磁场测量，同时将光纤传感器头的横截面控制在 $1\:\textrm{mm}^2$ 以下。