基于飞特斯拉级金刚石磁强计的核四极共振谱学
仪器与探测器
2025-04-09 v1 材料科学
原子物理
光学
量子物理
摘要
能够探测飞特斯拉量级振荡磁场的灵敏射频(RF)磁强计是核四极共振(NQR)谱学等严苛应用所需。基于金刚石中氮空位(NV)中心的 RF 磁强计曾被预测可提供飞特斯拉灵敏度，但已发表实验大多局限于皮特斯拉水平。在此，我们展示了一种基于 NV 掺杂金刚石薄膜（置于两个铁氧体聚磁体之间）的飞特斯拉 RF 磁强计。该器件在 2–10 微特斯拉偏置磁场下工作，并对 0.07–3.6 MHz 范围内 RF 磁场在金刚石内提供约 300 倍的幅值增强。该磁强计在 0.35 MHz 处灵敏度约为 70 fT s^{1/2}，经过 1 小时采集后噪声基底降至 2 fT 以下。我们利用该传感器在室温下探测了亚硝酸钠粉末中 14N 的 3.6 MHz NQR 信号。NQR 信号由缠绕样品的谐振 RF 线圈放大，从而实现更高信噪比探测。金刚石 RF 磁强计在强 RF 脉冲后的恢复时间约为 35 us，受线圈振铃时间限制。亚硝酸钠 NQR 频率随温度线性偏移为 -1.00 ± 0.02 kHz/K，磁化去相位时间 T2* = 887 ± 51 us，且自旋锁定自旋回波脉冲序列将信号寿命延长至 332 ± 23 ms，均与基于线圈的 NQR 研究一致。我们的结果将金刚石磁强计的灵敏度前沿拓展至飞特斯拉范围，在安防、医学成像与材料科学中具有潜在应用。
引用
@article{arxiv.2302.12401,
title = {Nuclear quadrupole resonance spectroscopy with a femtotesla diamond magnetometer},
author = {Yaser Silani and Janis Smits and Ilja Fescenko and Michael W. Malone and Andrew F. McDowell and Andrey Jarmola and Pauli Kehayias and Bryan Richards and Nazanin Mosavian and Nathaniel Ristoff and Victor M. Acosta},
journal= {arXiv preprint arXiv:2302.12401},
year = {2025}
}
备注
Main text: 8 pages, 6 figures. Entire manuscript including Appendices: 21 pages, 15 figures, 3 tables