基于相位循环的单量子传感器 Ramsey 相关光谱

磁性光谱学在纳米尺度上提供独特的材料性质和动力学见解，量子传感器如氮空位（NV）中心非常适合这些尺度。然而，由于有限的相干时间（$T_2^*$），检测低频信号仍然是一个挑战，因为频率 slower than $1/T_2^*$ 的信号在足够的相位积累之前会衰减。我们提出了 RESOLUTE（Ramsey corrElation SpectroscOpy puLse seqUence wiTh phasE cycling），一种协议，通过将 Ramsey 测量与相关光谱结合来克服这些限制。通过在两个感测周期之间存储累积相位作为 population imbalance（在相关周期（$T_mathrm{corr} < T_1$）期间），RESOLUTE 生成有效相干时间 $T_2^p > T_2^*$。这将频率匹配条件移至相关时间，从而 enable 在 $1/T_1$ 和 $1/T_2^p$ 之间先前不可访问的谱域中进行检测。我们实验性地演示了将有效相干时间从 $T_2^* = 0.38 \, \mu s$ 扩展到 $T_2^p = 5.1 \, \mu s$，超过 Hahn Echo 测量。该技术成功检测到 $^{13}$C 核自旋 Larmor 预cession 频率最低可达 49$\, G$（约50$ \, kHz）。我们进一步提供关于 RESOLUTE 频率估计能力的理论见解，与现有协议进行比较。最后，通过集成绝热脉冲和相位循环，我们演示了稳健的自旋控制和有效的直流信号提取。这些进展提供了对弱偶极相互作用的更高灵敏度，这对于单分子成像和量子感测应用至关重要。