鎖相放大相機在NV色心成像中的應(yīng)用

NV色心（氮-空位色心）是金剛石中由氮原子和鄰近空位形成的缺陷，其基態(tài)能級在外磁場作用下產(chǎn)生劈裂，在此基礎(chǔ)上通過光探測磁共振（ODMR）可檢測磁場強度。本文提出一種基于鎖相放大相機的NV色心磁成像方法。其通過鎖相放大相機可以同步各個像素采集特定頻率熒光信號。實驗表明，該方法可實時解析NV色心熒光強度在一定磁場強度下的周期性響應(yīng)，進而測量實驗所施加的磁場強度。

NV色心磁成像簡介

圖1 NV色心金剛石晶格結(jié)構(gòu)圖

NV色心（Nitrogen-Vacancy Center）是金剛石晶格中的一種原子級點缺陷，由鄰近碳空位的一個氮原子替代碳原子構(gòu)成。其結(jié)構(gòu)賦予其多維度物理特性，成為量子科技領(lǐng)域的核心研究對象之一。

圖2 NV色心能級躍遷圖（來源：維基百科）

氮空位中心具有一個基態(tài)三重態(tài)（3A）、一個激發(fā)態(tài)三重態(tài)（3E）以及兩個中間態(tài)單重態(tài)（1A和1E）。3A和3E均包含m?=±1自旋態(tài)（其中兩個電子自旋平行排列，向上為m?=+1，向下為m?=-1）和m?=0自旋態(tài)（電子自旋反平行排列）。由于磁相互作用，m?=±1態(tài)的能量高于m?=0態(tài)，在沒有外界磁場時，m?=±1簡并，1A和1E各自僅包含一個m?=0的單重自旋態(tài)。見圖2。

光學(xué)躍遷需遵循總自旋守恒原則，因此僅允許總自旋相同的能級間發(fā)生躍遷。具體而言，使用波長532 nm的綠色激光可誘導(dǎo)基態(tài)與激發(fā)態(tài)（自旋相同）之間的躍遷。而電子從激發(fā)態(tài)回落至基態(tài)時，就會因輻射躍遷發(fā)出637nm附近的紅光。此外，電子從激發(fā)態(tài)m?=±1回落時，會有更大的可能通過非輻射躍遷回落至中間態(tài)，并大概率回落至m?=0的基態(tài)，這個過程不發(fā)出紅色熒光。

經(jīng)過多次循環(huán)，氮空位中心（無論初始為m?=0或m?=±1）將zui終ji化至m?=0基態(tài)。此過程可用于量子信息處理或量子傳感中的量子比特初始化。

光探測磁共振

當(dāng)外磁場作用為0時，在基態(tài)能級中，m?=±1能級因為對稱性是簡并的，此時ms=0的能級因為零場比m?=±1能量低。當(dāng)沿氮空位中心缺陷軸（氮原子與空位連線的對稱軸）施加外磁場時，m?=0態(tài)不受影響，但會導(dǎo)致m?=±1能級發(fā)生分裂（塞曼效應(yīng)）。

當(dāng)用微波信號掃描NV色心時，可以使基態(tài)的能級分布生轉(zhuǎn)變，使得更多電子變?yōu)閙?=±1能級，從而使得熒光信號減弱。通過收集熒光信號我們就可以獲得電子能級分布變化。

圖3 單個NV中心的光學(xué)探測磁共振譜示意圖

上圖是ODMR方法測得NV色心的磁共振譜，圖中顯示有兩個關(guān)于2.87GHz對稱的峰，這兩個峰之間的頻率差值可以用以下公式表達：

其中，是磁旋比，g是朗德因子，是玻爾磁子，h是普朗克常量。于是，磁場強度就跟兩個峰值的頻率差聯(lián)系起來了。NV色心磁共振成像方法為磁場測量、量子傳感、精密測量及生物標記等領(lǐng)域提供了高效技術(shù)支持。

高速鎖相放大相機在NV色心成像中的應(yīng)用

圖4 NV色心磁測量的實驗流程圖

圖4是一類NV色心磁成像實驗的流程圖，其中主要包括以下幾個模塊。

1.微波激發(fā)與調(diào)制模塊

調(diào)制電流源驅(qū)動PCB微線圈，生成局部磁場作用于NV色心。信號發(fā)生器提供參考調(diào)制信號，經(jīng)放大后通過PCB環(huán)形天線發(fā)射微波，用于操控NV色心的自旋態(tài)。

2.光學(xué)激發(fā)與熒光接收

532 nm激光器結(jié)合聲光調(diào)制器（AOM）及光學(xué)組件，產(chǎn)生脈沖激光：激光經(jīng)二向色鏡反射，通過100倍物鏡聚焦至NV色心樣品。綠色截止濾光片濾除激發(fā)光雜散信號，僅保留NV色心熒光。

3.脈沖發(fā)生與微波調(diào)制

脈沖發(fā)生器（Pulse Blaster）發(fā)出脈沖波后分為兩路：

其中一路控制信號發(fā)生器發(fā)出調(diào)制后的微波。在這個過程中，脈沖發(fā)生器（Pulse Blaster）發(fā)射KHz頻率量級的脈沖，而信號發(fā)生器發(fā)射的微波信號在ω?ωdev之間來回跳躍且同步步進，跳躍頻率與脈沖發(fā)生器的發(fā)射的脈沖頻率一致，另一路作為鎖相放大相機的參考脈沖進入鎖相放大相機提供參考頻率。

圖5 微波信號的脈沖調(diào)制

4.鎖相放大相機數(shù)據(jù)采集

鎖相放大相機是一種把鎖相放大器和cmos相機功能結(jié)合起來的設(shè)備，且能夠同時協(xié)調(diào)所有像素進行一整個平面的鎖相成像。將參考頻率輸入后，鎖相相機就可以直接在復(fù)雜環(huán)境下解調(diào)特定調(diào)制頻率的熒光信號，從而更迅速實時地捕獲熒光強度變化信息，也大大節(jié)省了實驗裝置所需要的空間。

heliCamTM系列鎖相放大相機在NV色心的成像實驗中，擁有500Ke-的滿井容量、接近80%的量子效率以及0.14mW/m2的探測靈敏度，這些優(yōu)異的參數(shù)性使其能在NV色心的相關(guān)磁成像實驗中可以靈敏準確捕捉每個像素的每個像素的幅度和相位信息，雙相鎖相并行算法則能夠更有效抑制背景噪聲。上海昊量光電作為國內(nèi)專業(yè)的光電設(shè)備代理商，是heliCamTM系列產(chǎn)品的代理商。對于任何產(chǎn)品有興趣或者有任何問題，都歡迎通過電話、電子郵件或者微信與我們聯(lián)系。

本文部分資料來源：

[1]Parashar M, Bathla A, Shishir D, et al. Sub-second temporal magnetic field microscopy using quantum defects in diamond[J]. Scientific reports, 2022, 12(1): 8743.

[2]Jensen K, Kehayias P, Budker D. Magnetometry with nitrogen-vacancy centers in diamond[M]//High sensitivity magnetometers. Cham: Springer International Publishing, 2016: 553-576.

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