磁體傳感器利用電子自旋實(shí)現(xiàn)寬帶微波檢測(cè)

與金剛石中與氮空位（NV）缺陷相關(guān)的電子自旋是一種可在室溫下提供高空間分辨率和靈敏度的磁場(chǎng)傳感器，已經(jīng)被用于研究納米尺度的核磁共振，生物磁學(xué)、古地磁學(xué)和固體磁性，以及量子材料中的電流。

這些應(yīng)用大多數(shù)側(cè)重于檢測(cè)0~100 MHz頻率范圍內(nèi)的磁場(chǎng)，其中一系列自旋控制技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)高靈敏度、可調(diào)諧檢測(cè)頻率，而無需特定的電子自旋共振（ESR）頻率。相比之下，微波范圍（1~100 GHz）基于NV的傳感，目前依賴使用磁偏置場(chǎng)將ESR調(diào)諧到感興趣的頻率。

這種偏置場(chǎng)改變了正在研究的磁體或超導(dǎo)樣品的特性，例如通過改變其激發(fā)光譜，從而限制了它們?cè)诓牧峡茖W(xué)中的應(yīng)用。此外，其磁場(chǎng)必須達(dá)到特斯拉（T）級(jí)才能在10~100? GHz范圍運(yùn)行，使得所需要的磁體較大且調(diào)整緩慢，從而無法應(yīng)用于小型化傳感器封裝。

據(jù)麥姆斯咨詢介紹，荷蘭代爾夫特理工大學(xué)（Delft University of Technology）Kavli納米科學(xué)研究所量子納米科學(xué)系的研究人員通過將包含NV傳感器自旋層的金剛石芯片與薄膜磁體連接，實(shí)現(xiàn)了一種基于寬帶自旋的微波傳感器。其核心概念是自旋波的非線性動(dòng)力學(xué)——磁性膜的集體自旋激發(fā)——在泵浦場(chǎng)的應(yīng)用下將目標(biāo)信號(hào)局部轉(zhuǎn)換為NV ESR頻率。這項(xiàng)研究成果已經(jīng)以“Broadband microwave detection using electron spins in a hybrid diamond-magnet sensor chip”為題發(fā)表于近期的Nature Communications。

通過片上自旋波介導(dǎo)的頻率轉(zhuǎn)換，利用金剛石中的自旋檢測(cè)微波磁場(chǎng)

研究人員通過四自旋波混頻在固定磁偏置場(chǎng)下實(shí)現(xiàn)了約1 GHz的檢測(cè)帶寬，并通過差頻產(chǎn)生在ESR頻率以上的數(shù)GHz處實(shí)現(xiàn)微波檢測(cè)。盡管存在數(shù)GHz失諧，但是泵浦可調(diào)諧檢測(cè)頻率能夠表征自旋波帶結(jié)構(gòu)，并提供對(duì)限制轉(zhuǎn)換過程的非線性自旋波動(dòng)力學(xué)的洞察。

此外，轉(zhuǎn)換后的微波具有高度相干性，能夠通過非共振驅(qū)動(dòng)場(chǎng)對(duì)傳感器自旋進(jìn)行高保真控制。

傳感器平臺(tái)

由此構(gòu)建的混合金剛石-磁體傳感器平臺(tái)由金剛石膜中的近表面NV自旋組成，金剛石膜位于釔鐵石榴石（YIG）薄膜之上，YIG是一種具有低自旋波阻尼的磁絕緣體。通過一根帶狀線將“雙色”信號(hào)和泵浦微波場(chǎng)傳送到Y(jié)IG膜，在YIG膜中，它們分別以信號(hào)和泵浦頻率fs和fp激發(fā)自旋波。

通過測(cè)量綠色激光激發(fā)下的自旋相關(guān)NV光致發(fā)光，來檢測(cè)ESR頻率fNV下的頻率轉(zhuǎn)換微波。ESR頻率由外部磁偏置場(chǎng)BNV固定。

通過四自旋波混頻進(jìn)行微波探測(cè)

第一個(gè)檢測(cè)協(xié)議利用了簡(jiǎn)并四自旋波混頻——光學(xué)四波混頻的磁模擬。在準(zhǔn)粒子圖中，這一過程對(duì)應(yīng)于頻率為fi=2fp-fs的兩個(gè)“泵浦”磁振子散射成一個(gè)“信號(hào)”磁振子和一個(gè)“空閑”磁振子。

這種轉(zhuǎn)換能夠檢測(cè)與ESR頻率失諧的微波信號(hào)，這在NV中心的光學(xué)響應(yīng)中是不可見的。通過調(diào)整泵浦頻率，能夠檢測(cè)特定微波頻率的信號(hào)。

通過四自旋波混頻和頻率梳進(jìn)行微波檢測(cè)

通過差頻產(chǎn)生進(jìn)行微波檢測(cè)

總結(jié)來說，研究人員展示了固定磁場(chǎng)偏置下千兆赫茲帶寬的磁振子介導(dǎo)、基于自旋的微波磁場(chǎng)傳感。泵浦頻率決定檢測(cè)頻率，檢測(cè)范圍僅受自旋波能夠被有效激發(fā)的頻率的限制。

頻率轉(zhuǎn)換的相干性，使得能夠通過非共振驅(qū)動(dòng)場(chǎng)對(duì)固態(tài)自旋進(jìn)行相干操作，如本文金剛石中的自旋所展示。這種相干性能夠結(jié)合先進(jìn)的自旋操縱協(xié)議，如外差或修飾態(tài)傳感，以進(jìn)一步增強(qiáng)檢測(cè)能力，并為混合量子技術(shù)的應(yīng)用開辟道路。

在更大的感測(cè)體量中，NV中心的寬場(chǎng)讀出將增強(qiáng)微波靈敏度（最終受熱自旋波噪聲的限制）。研究人員設(shè)想使用片上“微波到自旋波換能器”（如帶狀線諧振器）檢測(cè)自由空間微波，以及通過結(jié)合適合的磁性材料并施加泵浦場(chǎng)來表征局部微波發(fā)生器（如自旋力矩振蕩器）。

使用掃描NV磁強(qiáng)計(jì)對(duì)自旋波混頻產(chǎn)生的空間磁化動(dòng)力學(xué)進(jìn)行成像，可以深入了解自旋波色散以及與納米級(jí)靈敏度的相互關(guān)系。本研究所展示的混合金剛石-磁體傳感器平臺(tái)不需要大的磁偏置場(chǎng)就可以實(shí)現(xiàn)寬帶微波表征，并為探測(cè)新材料（如范德華磁體）的高頻磁譜開辟了道路。

審核編輯：劉清