鎖相放大器OE1022應用在金剛石中氮空位(NV)的量子溫度傳感器研究

圖1. (a)混合光纖溫度計裝置示意圖 (b) 傳感器的簡化示意圖。 (c)基于光纖量子溫度計進行溫度成像的芯片。

2021 年，中國科學技術(shù)大學&中國科學院量子信息重點實驗室郭光燦院士團隊在Review of scientific instruments 發(fā)表了一篇題為《A robust fiber-based quantum thermometer coupled with nitrogen-vacancy centers》文章，報道了基于金剛石中氮空位(NV)中心的量子溫度傳感器。

文章提出利用金剛石中的氮空位中心對不同物理量的敏感特性，設計一種光纖量子溫度計，它能有效地隔離磁場噪聲和微波功率漂移。采用頻率調(diào)制的方法，通過檢測高密度氮空位系綜中光測核磁共振譜的銳傾角變化，實現(xiàn)了溫度的測量。由于其實現(xiàn)的簡單和兼容性以及隔離磁和微波噪聲的魯棒性，該量子溫度計隨后被應用于靈敏度為18 mK/Hz的電子芯片的表面溫度成像。為在模糊環(huán)境下實現(xiàn)高靈敏度溫度測量奠定了基礎。

樣品 & 測試

如圖 1(a) 所示。 NV中心整體由 [N]≈55 ppm和[NV-] ≈ 0.15 ppm 組成，金剛石通過等離子體輔助化學氣相沉積生長的 [100] 表面取向。如圖1(b)所示，將附著在纖芯直徑為100 μm的多模光纖前列的金剛石進行機械拋光并切割成尺寸為200×200×100 μm^3的薄膜。實驗中，通過波長532nm的激光通過聲光調(diào)制器(AOM, AA optoelectronic MT250-A0.5-VIS)耦合到多模光纖中。其中部分激光被分離并在光電二極管 (PD, Thorlabs PDA36A) 上進行測量。然后將信號輸入到比例積分微分控制器(PID，SRS SIM960)以穩(wěn)定激光功率。

由同一根光纖收集的光致發(fā)光 (PL) 通過 647 nm 長通濾光片，最終被發(fā)送到光電探測器 (Thorlabs APD130A2/M)。使用鎖相放大器(LIA，Sine Scientific Instruments OE1022)通過 MW 的幅度調(diào)制 (AM) 或頻率調(diào)制 (FM) 對檢測到的信號進行噪聲過濾和放大。 MW 發(fā)生器(Rohde & Schwarz SMB 100A)的輸出射頻信號被發(fā)送到 LIA 作為參考。此外，輸出MW通過開關(M-C ZASWA-2-50DR+)送到大功率放大器(M-C ZHL-16W-43)，最后通過外徑為0.5的五匝銅環(huán)輸出毫米纏繞在光纖陶瓷塞芯上。

圖2(a) 紅色熒光量和 ZFS 位置偏移 (ΔD) 作為綠色激光功率的函數(shù)。 遠離飽和，熒光隨著激光功率線性增加(藍線)。 由于激光加熱效應，ZFS 參數(shù)線性下降(黑線)。 (b) 在不施加偏置磁場的情況下，通過 FM 和 AM 用單個 MW 源記錄的 CW-ODMR 光譜。 (i) AM 光譜呈現(xiàn)出銳傾結(jié)構(gòu)，無法通過雙洛倫茲(綠色)或高斯(粉紅色)輪廓再現(xiàn)。(ii) FM 頻譜表現(xiàn)出 f0;f±1 的三個典型頻率，對應于 FM 鎖定信號過零，從而提供大的溫度響應。

通過用333 Hz(鎖相放大器時間常數(shù) τ = 30 ms)方波調(diào)制處理 AOM，研究NV 中心的紅色熒光量與激光功率的函數(shù)，如圖2(a)中實心藍點所示，并進行線性擬合。在不飽和的情況下，熒光隨激光功率線性增加。通常，由于單個 NV 中心的吸收截面和固有的功率展寬可以忽略不計，隨著整體體積和密度的增加，達到飽和狀態(tài)變得更加困難。相反，從 ODMR 光譜中提取的 ZFS 隨著激光功率的增加而降低，如圖 2(a)中的實心黑點所示。然而，對于光纖溫度計來說，高功率泵浦激光器加熱效應會顯著影響溫度的檢測精度。因此，必須將激光功率設置在10 mW以下。在這種情況下，可以將金剛石的溫度保持在室溫，并將局部溫度變化傳遞到金剛石上，利用NV中心進行檢測。

圖3 (a) 和 (b) 樣本 A 的 FM ODMR 頻譜的較大斜率作為 MW 功率和調(diào)制偏差的函數(shù)，中心頻率分別固定在 f0 和 f+1。 (c) 和 (d) 方程的模擬結(jié)果。(e)(a)和(c)中粉紅色虛線的橫截面。陰影區(qū)域中小于10%的靈敏度變化表明MW功率漂移的動態(tài)范圍。 (f) 模擬 ODMR 光譜的較大斜率， f0 作為矢量地磁場的函數(shù)。 在這里，提取的較大斜率被歸一化，模擬參數(shù)與(c)和(d)相同。

圖4中心頻率為 f0 的 FM 方案隔離磁場噪聲和 MW 功率漂移 (a) 簡化的實驗裝置示意圖。 (b)亥姆霍茲線圈以 1 Hz 振蕩的 5.2 μT 偏置磁場鎖定的信號。 當中心頻率固定在 f0 時，我們的技術(shù)對磁噪聲不太敏感。(c) 鎖定信號與傳感器到鋁筒距離的變化。 (d)加熱、等待、冷卻三個過程溫度變化LIA測到的信號。 在17分鐘(插圖)出現(xiàn)了一個跳躍，主要是由于在加熱時，靜電磁場消失。

圖5(a)相同幅度的MW時三個樣品的ODMR光譜。 (b) 按調(diào)制偏差 fd 和形狀分類，有 sine-inside、sine-outside、square-inside 和 square-outside 傳感協(xié)議。

圖6(a) 和 (b) 樣品 B 的鎖定 ODMR 譜的較大斜率作為 MW 功率和 FM 偏差的函數(shù)。 采用正弦(a)和方波(b)調(diào)制形狀的FM MWs。 (c) 鎖定輸出作為溫度變化的函數(shù)，具有理想溫度靈敏度，在圖中標記為“sine-inside,” “sine-outside,” “square-inside,” and “square-outside” (a) 和 (b)。 (d) 和 (i) 與 (a)-(c) 類似的測量結(jié)果，但鉆石樣品(C 和 D)除外。

圖7中心頻率固定為 f0 的電子芯片(虛線框)的溫度掃描。 (a) 和 (b) 分別記錄芯片斷電和通電時中心頻率固定為 f0 的鎖定信號。(a)(b)和(c)中粉紅色虛線的橫截面。

總結(jié)

研究了位于 ODMR 光譜共振之間的中心的急劇下降，并證實了它對溫度敏感性的增強，并提出了一種堅固的基于光纖的溫度計以及 NV 中心。應用中心頻率在急劇下降的 FM MW 允許靈敏度為18mK/√Hz在室溫下。這種方法可以通過單次鎖定測量來保護溫度測量免受環(huán)境磁場和MW功率漂移的影響。借助基于光纖的溫度計，我們成功地對電子芯片的表面溫度分布進行了成像。由于其簡單性和魯棒性，這種量子溫度計為在模糊環(huán)境中高精度集成芯片和生物內(nèi)窺鏡的微尺度熱檢測的實際應用鋪平了重要的一步。

審核編輯 黃宇