磁體傳感器利用電子自旋實(shí)現(xiàn)寬帶微波檢測

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0~100 MHz頻率范圍內(nèi)的磁場，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將ESR調(diào)諧到感興趣的頻率。

這種偏置場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，從而限制了它們在材料科學(xué)中的應(yīng)用。此外，其磁場必須達(dá)到特斯拉（T）級才能在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)——在泵浦場的應(yīng)用下將目標(biāo)信號局部轉(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微波磁場

研究人員通過四自旋波混頻在固定磁偏置場下實(shí)現(xiàn)了約1 GHz的檢測帶寬，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。盡管存在數(shù)GHz失諧，但是泵浦可調(diào)諧檢測頻率能夠表征自旋波帶結(jié)構(gòu)，并提供對限制轉(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)場對傳感器自旋進(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”信號和泵浦微波場傳送到Y(jié)IG膜，在YIG膜中，它們分別以信號和泵浦頻率fs和fp激發(fā)自旋波。

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

通過四自旋波混頻進(jìn)行微波探測

第一個(gè)檢測協(xié)議利用了簡并四自旋波混頻——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”磁振子和一個(gè)“空閑”磁振子。

這種轉(zhuǎn)換能夠檢測與ESR頻率失諧的微波信號，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，能夠檢測特定微波頻率的信號。

通過四自旋波混頻和頻率梳進(jìn)行微波檢測

通過差頻產(chǎn)生進(jìn)行微波檢測

總結(jié)來說，研究人員展示了固定磁場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傳感。泵浦頻率決定檢測頻率，檢測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)場對固態(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。

在更大的感測體量中，NV中心的寬場讀出將增強(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就可以實(shí)現(xiàn)寬帶微波表征，并為探測新材料（如范德華磁體）的高頻磁譜開辟了道路。

審核編輯：劉清