基于量子金刚石自旋的宽带射频探测器功率灵敏度
量子物理
2026-05-15 v1 介观与纳米尺度物理
摘要
氮空位（NV）中心可用于通过将射频（RF）磁场与NV自旋耦合，结合自旋状态的光学读出来检测射频信号。目前，RF探测器的灵敏度主要以磁场灵敏度衡量，这与RF信号由近场源产生的情形相关。然而，对于RF输入经外部提供的应用，更相关的灵敏度是以输入射频功率衡量的灵敏度。本文对NV基射频探测器的功率灵敏度进行了理论分析，考量了射频-自旋界面几何。我们推导了slope检测和variance检测射频感知协议以及各种噪声 regime下的功率灵敏度缩放规律。我们发现，在大多数情形下，功率灵敏度随射频-自旋界面特征物理尺寸的反比例缩放，例如平面波导宽度或环天线直径。换言之，结构越小、被探测的NV体积越小，功率灵敏度越佳，这与磁场灵敏度情形截然相反。最后，我们数值估算实现的光子散粒噪声极限灵敏度分别为10^{-20} W Hz^{-1}（slope）和10^{-12} W Hz^{-1/2}（variance）。本工作为进一步优化NV基射频探测器奠定了基础。
引用
@article{arxiv.2605.14244,
title = {Power sensitivity of broadband radiofrequency detectors based on quantum diamond spins},
author = {Nicholas Gillespie and Christopher T. -K. Lew and Ryan Kinsella and Andy Sayers and Brant Gibson and David A. Broadway and Jean-Philippe Tetienne},
journal= {arXiv preprint arXiv:2605.14244},
year = {2026}
}