基于腔体增强微波读出的矢量磁感应

我们演示了利用单个晶体金刚石中氮空位（NV）中心阵列耦合微波（MW）腔体，实现 $4\pi$ 全方位矢量磁场感测。MW腔体增强自旋-光子耦合，使通过MW探测实现高效、高对比度的自旋态读出，从而无需笨重的光学收集组件。施加交变偏置磁场可消除NV四个晶轴 orientations 的零场色散，使每个 orientation individually 可被寻址，用于矢量磁场重构。所得磁感应器具有40%对比度（远高于光学自旋阵列读出的典型值），实现单轴灵敏度为250 pT/$\sqrt{\mathrm{Hz}}$，该灵敏度在从直流到1 kHz 的频率范围内保持平坦。噪声模型表明，MW幅度噪声为主要噪声源，预测热噪声极限为 2 pT/$\sqrt{\mathrm{Hz}}$。