鎖相放大器OE1022應用在金剛石中氮空位(NV)的量子溫度傳感器研究

圖1. (a)混合光纖溫度計裝置示意圖 (b) 傳感器的簡化示意圖。 (c)基于光纖量子溫度計進行溫度成像的芯片。

2021 年，中國科學技術大學&中國科學院量子信息重點實驗室郭光燦院士團隊在Review of scientific instruments 發表了一篇題為《A robust fiber-based quantum thermometer coupled with nitrogen-vacancy centers》文章，報道了基于金剛石中氮空位(NV)中心的量子溫度傳感器。

文章提出利用金剛石中的氮空位中心對不同物理量的敏感特性，設計一種光纖量子溫度計，它能有效地隔離磁場噪聲和微波功率漂移。采用頻率調制的方法，通過檢測高密度氮空位系綜中光測核磁共振譜的銳傾角變化，實現了溫度的測量。由于其實現的簡單和兼容性以及隔離磁和微波噪聲的魯棒性，該量子溫度計隨后被應用于靈敏度為18 mK/Hz的電子芯片的表面溫度成像。為在模糊環境下實現高靈敏度溫度測量奠定了基礎。

樣品 & 測試

如圖 1(a) 所示。 NV中心整體由 [N]≈55 ppm和[NV-] ≈ 0.15 ppm 組成，金剛石通過等離子體輔助化學氣相沉積生長的 [100] 表面取向。如圖1(b)所示，將附著在纖芯直徑為100 μm的多模光纖前列的金剛石進行機械拋光并切割成尺寸為200×200×100 μm^3的薄膜。實驗中，通過波長532nm的激光通過聲光調制器(AOM, AA optoelectronic MT250-A0.5-VIS)耦合到多模光纖中。其中部分激光被分離并在光電二極管 (PD, Thorlabs PDA36A) 上進行測量。然后將信號輸入到比例積分微分控制器(PID，SRS SIM960)以穩定激光功率。

由同一根光纖收集的光致發光 (PL) 通過 647 nm 長通濾光片，最終被發送到光電探測器 (Thorlabs APD130A2/M)。使用鎖相放大器(LIA，Sine Scientific Instruments OE1022)通過 MW 的幅度調制 (AM) 或頻率調制 (FM) 對檢測到的信號進行噪聲過濾和放大。 MW 發生器(Rohde & Schwarz SMB 100A)的輸出射頻信號被發送到 LIA 作為參考。此外，輸出MW通過開關(M-C ZASWA-2-50DR+)送到大功率放大器(M-C ZHL-16W-43)，最后通過外徑為0.5的五匝銅環輸出毫米纏繞在光纖陶瓷塞芯上。

圖2(a) 紅色熒光量和 ZFS 位置偏移 (ΔD) 作為綠色激光功率的函數。 遠離飽和，熒光隨著激光功率線性增加(藍線)。 由于激光加熱效應，ZFS 參數線性下降(黑線)。 (b) 在不施加偏置磁場的情況下，通過 FM 和 AM 用單個 MW 源記錄的 CW-ODMR 光譜。 (i) AM 光譜呈現出銳傾結構，無法通過雙洛倫茲(綠色)或高斯(粉紅色)輪廓再現。(ii) FM 頻譜表現出 f0;f±1 的三個典型頻率，對應于 FM 鎖定信號過零，從而提供大的溫度響應。

通過用333 Hz(鎖相放大器時間常數 τ = 30 ms)方波調制處理 AOM，研究NV 中心的紅色熒光量與激光功率的函數，如圖2(a)中實心藍點所示，并進行線性擬合。在不飽和的情況下，熒光隨激光功率線性增加。通常，由于單個 NV 中心的吸收截面和固有的功率展寬可以忽略不計，隨著整體體積和密度的增加，達到飽和狀態變得更加困難。相反，從 ODMR 光譜中提取的 ZFS 隨著激光功率的增加而降低，如圖 2(a)中的實心黑點所示。然而，對于光纖溫度計來說，高功率泵浦激光器加熱效應會顯著影響溫度的檢測精度。因此，必須將激光功率設置在10 mW以下。在這種情況下，可以將金剛石的溫度保持在室溫，并將局部溫度變化傳遞到金剛石上，利用NV中心進行檢測。

圖3 (a) 和 (b) 樣本 A 的 FM ODMR 頻譜的較大斜率作為 MW 功率和調制偏差的函數，中心頻率分別固定在 f0 和 f+1。 (c) 和 (d) 方程的模擬結果。(e)(a)和(c)中粉紅色虛線的橫截面。陰影區域中小于10%的靈敏度變化表明MW功率漂移的動態范圍。 (f) 模擬 ODMR 光譜的較大斜率， f0 作為矢量地磁場的函數。 在這里，提取的較大斜率被歸一化，模擬參數與(c)和(d)相同。

圖4中心頻率為 f0 的 FM 方案隔離磁場噪聲和 MW 功率漂移 (a) 簡化的實驗裝置示意圖。 (b)亥姆霍茲線圈以 1 Hz 振蕩的 5.2 μT 偏置磁場鎖定的信號。 當中心頻率固定在 f0 時，我們的技術對磁噪聲不太敏感。(c) 鎖定信號與傳感器到鋁筒距離的變化。 (d)加熱、等待、冷卻三個過程溫度變化LIA測到的信號。 在17分鐘(插圖)出現了一個跳躍，主要是由于在加熱時，靜電磁場消失。

圖5(a)相同幅度的MW時三個樣品的ODMR光譜。 (b) 按調制偏差 fd 和形狀分類，有 sine-inside、sine-outside、square-inside 和 square-outside 傳感協議。

圖6(a) 和 (b) 樣品 B 的鎖定 ODMR 譜的較大斜率作為 MW 功率和 FM 偏差的函數。 采用正弦(a)和方波(b)調制形狀的FM MWs。 (c) 鎖定輸出作為溫度變化的函數，具有理想溫度靈敏度，在圖中標記為“sine-inside,” “sine-outside,” “square-inside,” and “square-outside” (a) 和 (b)。 (d) 和 (i) 與 (a)-(c) 類似的測量結果，但鉆石樣品(C 和 D)除外。

圖7中心頻率固定為 f0 的電子芯片(虛線框)的溫度掃描。 (a) 和 (b) 分別記錄芯片斷電和通電時中心頻率固定為 f0 的鎖定信號。(a)(b)和(c)中粉紅色虛線的橫截面。

總結

研究了位于 ODMR 光譜共振之間的中心的急劇下降，并證實了它對溫度敏感性的增強，并提出了一種堅固的基于光纖的溫度計以及 NV 中心。應用中心頻率在急劇下降的 FM MW 允許靈敏度為18mK/√Hz在室溫下。這種方法可以通過單次鎖定測量來保護溫度測量免受環境磁場和MW功率漂移的影響。借助基于光纖的溫度計，我們成功地對電子芯片的表面溫度分布進行了成像。由于其簡單性和魯棒性，這種量子溫度計為在模糊環境中高精度集成芯片和生物內窺鏡的微尺度熱檢測的實際應用鋪平了重要的一步。

審核編輯 黃宇