基于磁集聚效应的系综NV色心磁检测增强

作     者：李中豪 王天宇 郭琦 郭浩温 焕飞 唐军 刘俊 Li Zhong-Hao;Wang Tian-Yu;Guo Qi;Guo Hao;Wen Huan-Fei;Tang Jun;Liu Jun

作者机构：中北大学仪器与电子学院太原030051 中北大学仪器科学与动态测试教育部重点实验室太原030051 中北大学量子传感与精密测量山西省重点实验室太原030051 

出 版 物：《物理学报》 (Acta Physica Sinica)

年 卷 期：2021年第70卷第14期

页      面：290-298页

核心收录：

学科分类：07[理学] 070205[理学-凝聚态物理] 0702[理学-物理学] 

基　　金：国家重大科研仪器设备研制专项(批准号:51727808,61727804) 国家自然科学基金(批准号:51635011,51922009) 山西省应用基础研究计划(批准号:201901D111011(ZD),201901D211254,201801D221202,201801D221213) 山西省重点研发项目(批准号:201803D121067) 山西省高等学校科技创新项目(批准号:2019L0558) 山西省重点实验室(批准号:201905D121001) 山西省“1331工程”重点学科建设计划经费资助的课题 

主　　题：磁力线集聚结构 系综金刚石氮空位色心 连续波光探测磁共振 磁灵敏度 

摘      要：高灵敏色心量子自旋磁检测是弱磁、极弱磁检测及成像应用的关键.本文通过搭建结合磁力线集聚结构(MFC)的系综金刚石氮空位(NV)色心的宽视场磁分布成像系统,对系综金刚石NV色心磁检测增强进行了系统研究.首先基于磁力线集聚效应仿真设计并制造了成对的T型薄片状MFC结构,利用连续波光探测磁共振(ODMR)宽视场磁成像技术对MFC的磁增强效果进行验证.实验测试的MFC间距的最小值为1.0 mm,此时磁增强倍数约为10.35,通过进一步对比不同磁场强度以及不同间距条件下的MFC磁增强效果,验证了MFC磁增强效果的有效性,系统磁检测灵敏度由1.10 nT/Hz^(1/2)提升至0.30 nT/Hz^(1/2).通过进一步对比仿真与测量获得的磁增强倍数与间隙宽度的关系,可对实验系统的磁增强及灵敏度进行有效估计.在MFC间距为0.5 mm时,对应的磁增强倍数可提升至约18.21,磁灵敏度则可达0.25 nT/Hz^(1/2).以上结果表明基于磁集聚效应可以实现系综金刚石氮空位色心磁检测灵敏度的有效提升,为精密量子测量技术在弱磁、极弱磁检测应用方面提供了参考.