基于金刚石中氮空位（NV）的量子温度传感器

【概述】

         2021 年，中国科学技术大学&中国科学院量子信息重点实验室郭光灿院士团队在Review of scientific instruments 发表了一篇题为《A robust fiber-based quantum thermometer coupled with nitrogen-vacancy centers》文章，报道了基于金刚石中氮空位（NV）中心的量子温度传感器。

图1. (a)混合光纤温度计装置示意图  (b) 传感器的简化示意图。 (c)基于光纤量子温度计进行温度成像的芯片。

       文章提出利用金刚石中的氮空位中心对不同物理量的敏感特性，设计一种光纤量子温度计，它能有效地隔离磁场噪声和微波功率漂移。采用频率调制的方法，通过检测高密度氮空位系综中光测核磁共振谱的锐倾角变化，实现了温度的测量。由于其实现的简单和兼容性以及隔离磁和微波噪声的鲁棒性，该量子温度计随后被应用于灵敏度为18 mK/Hz的电子芯片的表面温度成像。为在模糊环境下实现高灵敏度温度测量奠定了基础。

【样品 & 测试】

       如图 1(a) 所示。 NV中心整体由 [N]≈55 ppm和[NV-] ≈ 0.15 ppm 组成，金刚石通过等离子体辅助化学气相沉积生长的 [100] 表面取向。如图1（b）所示，将附着在纤芯直径为100 µm的多模光纤尖端的金刚石进行机械抛光并切割成尺寸为200×200×100 µm^3的薄膜。实验中，通过波长532nm的激光通过声光调制器（AOM, AA optoelectronic MT250-A0.5-VIS）耦合到多模光纤中。其中部分激光被分离并在光电二极管 (PD, Thorlabs PDA36A) 上进行测量。然后将信号输入到比例积分微分控制器（PID，SRS SIM960）以稳定激光功率。

       由同一根光纤收集的光致发光 (PL) 通过 647 nm 长通滤光片，最终被发送到光电探测器 (Thorlabs APD130A2/M)。使用锁相放大器（LIA，Sine Scientific Instruments OE1022）通过 MW 的幅度调制 (AM) 或频率调制 (FM) 对检测到的信号进行噪声过滤和放大。 MW 发生器（Rohde & Schwarz SMB 100A）的输出射频信号被发送到 LIA 作为参考。此外，输出MW通过开关（M-C ZASWA-2-50DR+）送到大功率放大器（M-C ZHL-16W-43），最后通过外径为0.5的五匝铜环输出毫米缠绕在光纤陶瓷塞芯上。

图2(a) 红色荧光量和 ZFS 位置偏移 (ΔD) 作为绿色激光功率的函数。 远离饱和，荧光随着激光功率线性增加（蓝线）。 由于激光加热效应，ZFS 参数线性下降（黑线）。 (b) 在不施加偏置磁场的情况下，通过 FM 和 AM 用单个 MW 源记录的 CW-ODMR 光谱。 (i) AM 光谱呈现出锐倾结构，无法通过双洛伦兹（绿色）或高斯（粉红色）轮廓再现。(ii) FM 频谱表现出 f0;f±1 的三个典型频率，对应于 FM 锁定信号过零，从而提供最大的温度响应

       通过用333 Hz（锁相放大器时间常数 τ = 30 ms）方波调制处理 AOM，研究NV 中心的红色荧光量与激光功率的函数，如图2（a）中实心蓝点所示，并进行线性拟合。在不饱和的情况下，荧光随激光功率线性增加。通常，由于单个 NV 中心的吸收截面和固有的功率展宽可以忽略不计，随着整体体积和密度的增加，达到饱和状态变得更加困难。相反，从 ODMR 光谱中提取的 ZFS 随着激光功率的增加而降低，如图 2（a）中的实心黑点所示。然而，对于光纤温度计来说，高功率泵浦激光器加热效应会显著影响温度的检测精度。因此，必须将激光功率设置在10 mW以下。在这种情况下，可以将金刚石的温度保持在室温，并将局部温度变化传递到金刚石上，利用NV中心进行检测。

图3 (a) 和 (b) 样本 A 的 FM ODMR 频谱的最大斜率作为 MW 功率和调制偏差的函数，中心频率分别固定在 f0 和 f+1。 (c) 和 (d) 方程的模拟结果。（e）（a）和（c）中粉红色虚线的横截面。阴影区域中小于10％的灵敏度变化表明MW功率漂移的动态范围。 (f) 模拟 ODMR 光谱的最大斜率， f0 作为矢量地磁场的函数。 在这里，提取的最大斜率被归一化，模拟参数与（c）和（d）相同。

图4中心频率为 f0 的 FM 方案隔离磁场噪声和 MW 功率漂移 (a) 简化的实验装置示意图。 (b)亥姆霍兹线圈以 1 Hz 振荡的 5.2 μT 偏置磁场锁定的信号。 当中心频率固定在 f0 时，我们的技术对磁噪声不太敏感。(c) 锁定信号与传感器到铝筒距离的变化。 (d)加热、等待、冷却三个过程温度变化LIA测到的信号。 在17分钟(插图)出现了一个跳跃，主要是由于在加热时，静电磁场消失。

图5（a）相同幅度的MW时三个样品的ODMR光谱。 (b) 按调制偏差 fd 和形状分类，有 sine-inside、sine-outside、square-inside 和 square-outside 传感协议。

图6(a) 和 (b) 样品 B 的锁定 ODMR 谱的最大斜率作为 MW 功率和 FM 偏差的函数。 采用正弦(a)和方波(b)调制形状的FM MWs。 (c) 锁定输出作为温度变化的函数，具有最佳温度灵敏度，在图中标记为“sine-inside,” “sine-outside,” “square-inside,” and “square-outside” (a) 和 (b)。 (d) 和 (i) 与 (a)-(c) 类似的测量结果，但钻石样品（C 和 D）除外。

图7中心频率固定为 f0 的电子芯片（虚线框）的温度扫描。 (a) 和 (b) 分别记录芯片断电和通电时中心频率固定为 f0 的锁定信号。（a）（b）和（c）中粉红色虚线的横截面。

【总结】

      研究了位于 ODMR 光谱共振之间的中心的急剧下降，并证实了它对温度敏感性的增强，并提出了一种坚固的基于光纤的温度计以及 NV 中心。应用中心频率在急剧下降的 FM MW 允许灵敏度为18mK/√Hz在室温下。这种方法可以通过单次锁定测量来保护温度测量免受环境磁场和MW功率漂移的影响。借助基于光纤的温度计，我们成功地对电子芯片的表面温度分布进行了成像。由于其简单性和鲁棒性，这种量子温度计为在模糊环境中高精度集成芯片和生物内窥镜的微尺度热检测的实际应用铺平了重要的一步。