Новый метод квантовой магнитометрии на основе NV-центров в алмазе

Флуоресцирующий кристалл алмаза, приклеенный к торцу оптического волокна

Квантовые технологии – технологии, основанные на особых свойствах квантовых систем. Они открывают возможности для улучшения свойств привычных приборов и создания принципиально новых.

Одной из наиболее перспективных квантовых систем для применения в области квантовых технологий являются NV-центры в алмазе. NV-центр в алмазе – это дефект кристаллической решетки алмаза, состоящий из атома азота и соседней вакансии (свободного места). Свойства NV-центров делают их привлекательными для разнообразных приложений – квантовые компьютеры, квантовые сенсоры, квантовые коммуникации. Среди них наиболее перспективным и близким к практическому использованию считается магнитометрия.

Стандартная методика измерения магнитного поля с использованием NV-центров основана на спектроскопических измерениях. Как квантовый объект, NV-центры в алмазе имеют набор энергетических уровней, между которыми можно возбуждать переходы при приложении резонансного излучения. Частоты переходов NV-центров в микроволновом диапазоне зависят от магнитного поля, именно их фактически измеряет магнитометр. Особая схема переходов NV-центров в видимом диапазоне позволяет проводить эти измерения оптически: подсвеченный лазером образец флуоресцирует, причем яркость флуоресценции меняется при приложении микроволнового излучения. Оптическое детектирование позволяет проводить измерения даже с одиночными NV-центрами. В этом случае пространственное разрешение магнитометра достигает нанометрового уровня. При использовании большого числа NV-центров повышается точность определения магнитного поля.

Среди методов высокочувствительной магнитометрии использование NV-центров в алмазе отличается универсальностью (работа в широком диапазоне температур и давлений, возможность оптимизации параметров магнитометра под конкретную задачу). Тем не менее, использование микроволнового излучения сужает спектр возможных применений стандартной алмазной магнитометрии. Например, приложение СВЧ излучения нежелательно вблизи проводящих магнитных материалов и при биологических исследованиях.

Научными сотрудниками отдела нелинейной электродинамики ИПФ РАН предложен новый метод магнитометрии с использованием NV-центров в алмазе, не требующий СВЧ излучения. Этот метод основан на наблюдении взаимодействия между NV-центрами с различной ориентацией в кристаллической решетке алмаза. Данное взаимодействие возникает при определенных направлениях магнитного поля и приводит к изменению яркости флуоресценции. В ИПФ РАН предлагают дополнительно приложить к алмазу сканируемое магнитное поле (вдоль определенного направления относительно кристаллической решетки) и наблюдать в зависимости от его величины возникающие особенности в сигнале флуоресценции. По положениям этих особенностей можно определить величину и направление измеряемого магнитного поля.

На основе разработанного метода был создан макет магнитометра. В качестве активного материала сенсора использовался кристалл алмаза, закрепленный на конце оптического волокна, через которое проводилась подсветка алмаза лазерным излучением и сбор флуоресценции. Для кристалла размером 300 мкм продемонстрирована чувствительность к магнитному полю 18 нТл/Гц1/2.

Исследования поддержаны НЦМУ «Центр фотоники», при финансировании Министерством науки и высшего образования РФ, соглашение № 075-15-2022-316.

Публикации:

  1. Р. А. Ахмеджанов, Л. А. Гущин, И. В. Зеленский, А. В. Купаев, В. А. Низов, Н. А. Низов, Д. А. Собгайда «Квантовый магнитометр на основе кросс-релаксационных резонансов в ансамбле NV-центров в алмазе» // Журнал технической физики, 92(11), 1737 (2022).
  2. Akhmedzhanov, R., Gushchin, L., Nizov, N., Nizov, V., Sobgayda, D., Zelensky, I., and Hemmer, P. Magnetometry by cross-relaxation-resonance detection in ensembles of nitrogen-vacancy centers // Physical Review A, 100(4), 043844 (2019).
  3. Akhmedzhanov, R., Gushchin, L., Nizov, N., Nizov, V., Sobgayda, D., Zelensky, I., and Hemmer, P. Microwave-free magnetometry based on cross-relaxation resonances in diamond nitrogen-vacancy centers // Physical Review A, 96(1), 013806 (2017).

Полученные в ходе исследований решения защищены патентами РФ №№ 2654967, 2694798, 2776466.