荷兰代尔夫特理工大学及日本东北大学研究人员在金刚石磁传感器芯片中使用电子自旋进行宽带微波检测的研究以“Broadband microwave detection using electron spins in a hybrid diamond-magnet sensor chip”为题发表在《Nature Communications》上。

量子传感已发展成为量子科学和技术的一个主要分支。它旨在以高分辨率、灵敏度和动态范围测量物理量。金刚石中的电子自旋是强大的磁场传感器，但它们在微波状态下的灵敏度仅限于其共振频率周围的窄带。本文中，研究人员使用与薄膜磁铁界面的金刚石自旋实现宽带微波检测。泵场通过磁体的非线性自旋波动力学将目标微波信号转换为传感器自旋频率。两种互补的转换试验可实现对千兆赫兹带宽的传感和高保真自旋控制，从而可以在高于传感器自旋频率的几千兆赫兹处表征自旋波段。泵可调的金刚石磁传感器芯片为小磁场下基于自旋的千兆赫兹材料表征开辟了道路。

与金刚石中的氮-空位（NV）缺陷相关的电子自旋是磁场传感器，可在室温下提供高空间分辨率和灵敏度。它们已被用于研究纳米尺度的核磁共振、生物、古磁性和固态磁性，以及量子材料中的电流。这些应用中的大多数都专注于检测 0–100 兆赫兹 （MHz） 频率范围内的磁场，其中自旋控制技术可实现高灵敏度和可调检测频率，而无需特定的电子自旋共振 （ESR） 频率。相比之下，微波状态下基于 NV 的检测 [1–100（GHz）] 目前依赖于使用磁偏置场将 ESR 调谐到目标频率。该偏置场改变了正在研究的磁性或超导样品的性质，例如通过改变其激发光谱，这限制了其在材料科学中的应用。此外，磁场必须达到特斯拉级才能在 10-100 GHz 范围内工作，这使得所需磁体变大且调整缓慢，从而排除了技术应用所需的小型传感器封装。

研究人员通过将包含一层NV传感器自旋的金刚石芯片与薄膜磁铁连接来实现基于宽带自旋的微波传感。中心概念是自旋波的非线性动力学 - 磁膜的集体自旋激发 - 在泵场的作用下将目标信号局部转换为NV ESR频率（图1a，b）。研究人员通过四自旋波混合在固定偏置场下实现~1 GHz检测带宽，并通过差频产生在ESR频率以上数GHz处实现微波检测。泵浦可调谐检测频率能够在多GHz失谐的情况下表征自旋波带结构，并深入了解限制转换过程的非线性自旋波动力学。此外，转换后的微波具有高度相干性，可通过非谐振驱动场对传感器自旋进行高保真控制。

图1：通过片上自旋波介导的频率转换，使用金刚石中的自旋检测微波磁场。

研究人员的金刚石磁传感器平台由位于钇铁石榴石（YIG）薄膜上的金刚石膜中的近表面NV自旋组成，YIG是一种具有低自旋波阻尼的磁绝缘体（图1b）。带状线将“双色”信号和泵浦微波场输送到YIG薄膜，其中它们分别以信号和泵浦频率fs和fp激发自旋波。通过测量绿色激光激发下的自旋依赖性NV光致发光来检测ESR频率fNV的频率转换微波（图1c）。ESR频率由外部偏置场BNV固定（图1d）。

四自旋波混合微波探测

研究人员的第一个检测试验利用简并四自旋波混合-光学四波混合的磁模拟(图2a)。在准粒子图中，这一过程对应于两个“泵浦”磁振子在频率fi=2fp−fs时散射成一个“信号”磁振子和一个“惰速”磁振子。这种转换能够检测到从ESR频率失谐的微波信号，否则在NV中心的光学响应中是不可见的(图2b)。通过调整泵浦的频率，研究人员能够检测特定微波频率的信号(图2c)。

图2:四自旋波混合和频率梳的微波探测。

通过四自旋波混合的相干自旋控制

除了实现非共振量子传感之外，惰环还为自旋或其他量子系统的非共振控制提供了资源。NV在怠速驱动ESR频谱中3 Mhz超细分裂的分辨率(图3a)证明了怠速自旋波发射的微波场的高相干性，这意味着线宽由驱动而不是自旋波阻尼决定。这允许驱动相干NV自旋旋转(Rabi振荡)通过脉冲泵与不同的持续时间τ(图3b)。这些Rabi振荡响应外部施加的微波，这些微波从ESR频率失谐数百MHz（图3c）。

图3:基于四自旋波混频的NV自旋非谐振量子控制。

通过差频产生的微波探测

研究人员的第二种检测试验依赖于差频产生，它可以将GHz信号下转换为现有量子传感技术可获得的MHz频率。不同频率的自旋波在两个不同频率的自旋波的驱动下，磁化强度的纵向分量产生了不同的频率(图4a)。与四波混合试验相反，转换频率不必位于自旋波波段内。通过调谐ESR频率使其与差频共振(图4b)。当fp−fs=±fNV时，研究人员检测到失谐数千兆赫的微波信号(图4c)。研究人员仅在fs和fp都高于FMR时观察到ESR对比(图4d)，证实了YIG中的自旋波介导了转换。研究人员预计转换过程也可以应用于其他磁性材料，以表征高频磁带结构，否则NV磁强测量无法达到。与图2e类似，转换受到自旋波激发效率的限制，这解释了长波长自旋波(即正好高于FMR)的最大ESR对比的观测结果。

图4:差频法微波探测。

研究人员展示的金刚石磁传感器平台能够实现宽带微波表征，而不需要大的磁场偏压场，并为探测新材料(如范德华磁体)的高频磁谱开辟了道路。

论文链接：

https://www.nature.com/articles/s41467-023-36146-3#Abs1