磁场梯度下的超灵敏单离子静电测量

囚禁离子中的超精细能级提供了长寿命的自旋态。此外,这些带电粒子的运动与外部电场扰动强耦合。这些特性使囚禁离子成为电场量子传感的有吸引力的平台。然而,自旋态与电场之间没有表现出强的内在耦合。这限制了可达到的灵敏度。在这里,我们通过使用静态磁场梯度来放大电场扰动与自旋态之间的耦合。由施加的外部电场扰动产生的力所导致的囚禁离子位移,因此被映射到内部自旋态能级分裂的瞬时变化。这种梯度介导的电场与自旋的耦合使得能够使用一系列成熟的磁力测量协议进行静电测量。使用我们的量子传感器,我们展示了在信号频率$\omega_{\epsilon}/2\pi=5.82~\mathrm{Hz}$下的交流灵敏度$\mathrm{S^{AC}_{min}=960(10)\times 10^{-6}~V m^{-1}Hz^{-\frac{1}{2}}}$,以及使用Hahn回波型传感序列的直流灵敏度$\mathrm{S^{DC}_{min}=1.97(3)\times 10^{-3} ~V m^{-1}Hz^{-\frac{1}{2}}}$。我们还采用了旋转框架弛豫测量技术,通过该技术,我们的量子传感器可以用作电场噪声频谱分析仪。我们在$\mathrm{30.0(3)~kHz}$频率下测量到低至$\mathrm{S_{E}(\omega)=6.2(5)\times 10^{-12}~V^2 m^{-2}Hz^{-1}}$噪声本底的电场信号。因此,我们展示了在亚赫兹至$\sim\mathrm{500~kHz}$频率范围内测量直流信号和交流信号的前所未有的电场灵敏度。最后,我们描述了一组硬件修改,能够将灵敏度进一步提高多达六个数量级。