使用金刚石氮空位（NV）色心的宽场磁力显微镜能够产生直流（DC）和交流（AC）磁场的高品质磁图像。这种技术独特地结合了室温下微米级空间分辨率的标量或矢量场以及并行相机读取，使其在生物学、地质学、凝聚态物理学和电子学等领域的应用中显得非常吸引人。然而，尽管NV磁力显微镜在这些领域取得了巨大成功，但历史上可访问的频率范围一直受到限制。
12月13日，麻省理工学院的研究团队在《PhysicalReviewApplied》期刊上发表题为“QuantumfrequencymixingusinganN-Vdiamondmicroscope”（使用N-V色心金刚石显微镜的量子混频）的研究论文，SamuelJ.Karlson为论文第一作者，DanielleA.Braje为论文通讯作者。
在本文中，研究人员通过实施最近发展的量子混频技术克服了这一限制。通过这种方法，生成了由高达70MHz交流驱动的测试结构的宽场磁图像，这远远超出了直流和Rabi磁力测量方法的范围。随着进一步的改进，这种方法可以在用于电子功率谱分析、电子诊断和故障排除以及量子计算硬件验证的高光谱成像中找到实用性。
背景
使用金刚石氮空位（NV）色心的宽场磁力显微镜因其在地质学、生物学、凝聚态物理学和电子学等多样化应用中的价值而受到关注。与单像素扫描磁力显微镜不同，基于NV金刚石的显微镜能够同时成像宽场（毫米级）视野内的所有像素，无需移动部件，并且能够揭示研究样本中磁场的时空动力学。该技术提供了微米级空间分辨率，并有潜力在广泛的频率范围内操作，正在被应用于一系列跨学科应用。
尽管如此，大多数宽场NV磁力显微镜一直局限于测量静态或低频（≲1kHz）磁场，只有少数例外。这是因为测量MHz频率和GHz频率交变磁场（包括脉冲NV探测和门控光学读取）需要额外的复杂性，以及对均匀的激光、微波（MW）、偏置磁场和NV应变剖面图在视野范围内的更大需求。此外，这些测量通常限制在特定且往往狭窄的频率范围内。例如，使用脉冲动态解耦的交流磁力测量受到微波π脉冲持续时间的限制，通常小于10MHz，而Rabi振荡交流磁力测量则在NV自旋共振频率（通常接近∼3GHz）周围的狭窄频率范围内感应（∼1MHz）。尽管改变强偏置磁场可以调整（并扩展）Rabi振荡交流磁力测量的频率范围，但由于场均匀性要求，这种方法对于宏观NV集合是不切实际的。因此，NV交流磁成像演示常常牺牲频率范围、视野大小或两者兼有。
理论方法
量子混频（QFM）是一种利用非线性响应从两个周期性输入信号中产生新频率的过程。在本研究中，使用金刚石NV色心作为量子混频器，利用其非线性特性在量子系统内部乘以两个交流磁场信号。研究人员采用的是外差混频，实验的净效果是在量子系统中实现了外差接收器。当量子系统被两个不同频率的场驱动时，其动力学可以被描述为一个量子混频器，其中多模Floquet图像中的有效哈密顿量推导使得能够识别描述基于混频的量子传感协议的动力学。为了将频率为ωs的信号带入与NV跃迁频率ω0共振，研究人员施加了一个频率为ωb的偏置振荡场。这里ωs和ωb类似于经典混频器的输入射频（RF）和本振（LO）。量子系统非线性过程产生的有效信号在频率ωT处，类似于经典混频器的中频（IF）。这一过程可以通过Floquet理论来描述。在Floquet分析中，希尔伯特空间中的时变哈密顿量被转换为Floquet空间中的时间不变哈密顿量。两个傅里叶分量Hbeiωbt和Hseiωst的联合效应，分别与输入信号ωs和偏置交流场ωb相关，产生了目标频率ωT分量。在对Floquet哈密顿量进行块对角化后，转换回希尔伯特空间得到一个频率为ωb−ωs的有效哈密顿量。通过适当选择ωb，有效的目标信号现在NV共振频率附近3GHz，现有的量子传感协议，如Rabi磁测量，可以用来探测系统。
实验方案
实验中，研究人员构建了一个显微镜装置，该装置包括一个5×5×0.5mm³的金刚石样品，上面有一个10µm的NV层，用1W的532nm激光照射。研究人员通过声光调制器（AOM）开关和平坦顶波形整形器传递激光。测试结构放置在NV层上方，NV层涂有10nm的Ti金属和50nm的Au以防止光泄露。金刚石附着在一个印刷电路板（PCB）支架上，该支架沿x方向施加均匀的微波磁场，NVs沿z轴检测直流磁场（采用Ramsey磁测量）和交流磁场（采用QFM）。该支架还作为散热器，以散发激光沉积的热量。研究人员使用永久磁铁沿+z方向施加了约1mT的偏置磁场B0，通过塞曼效应改变NV基态跃迁频率。这个偏置场设置了NV基态亚能级之间的跃迁频率为D±γB0，其中D≈2π×2870MHz是零场分裂，γ≈2π×28GHz/T是NV的旋磁比，研究人员处理的是|0⟩↔|+1⟩跃迁在ω0≈2π×2890MHz。NV荧光被光学显微镜成像到数字焦平面阵列（DFPA）相机上，该相机具有高灵敏度、大动态范围、256×256像素分辨率、片上处理和本工作所需的快速数据速率。激光、微波、测试结构电流和相机触发脉冲由1.2GS/s任意波形发生器（AWG）编程。相机被触发以获取一系列微波脉冲持续时间内的NV荧光读取图像，研究人员拟合每个像素的结果时间轨迹以提取QFM磁成像的Rabi频率。
图1：量子频率混频磁显微镜的原理图。
图2：(a)用于确定共振NVRabi频率的传统Rabi脉冲序列，测试结构上没有施加电流。研究人员用激光脉冲将NV初始化到|0⟩状态，应用频率为ω0的共振微波场ω0一段时间，然后用第二个激光脉冲读取NV的最终状态。(b)用于直流磁成像的Ramsey脉冲序列。研究人员对测试结构施加直流电流，应用π/2微波脉冲以创建|0⟩和|+1⟩状态的叠加，并允许系统演化固定时间τ。然后研究人员应用第二个π/2脉冲，紧接着是激光读取脉冲。(c)用于测量频率为ωs的交流磁场幅度的量子频率混频（QFM）Rabi脉冲序列。这与常规的Rabi振荡实验相似，只是应用了偏置频率ωb。
图3：直线测试结构的照片。
图4：阿基米德螺旋测试结构的照片。
图5：(a)在图3中左侧像素的固定Ωsz下，ΩQFM作为ωs的函数。虚线粉色线显示了方程3预测的预期ΩQFM。黑色线显示了方程5预测的预期ΩQFM，蓝色点是实验数据。(b)在图3中心像素的固定ωs下，ΩQFM作为Ωsz的函数。
研究成果
研究人员的研究结果验证了QFM磁成像技术的有效性。通过直线测试结构，研究人员展示了该技术能够应用于NV磁成像装置，并验证了方程3中预测的预期频率缩放定律。对于更复杂的阿基米德螺旋测试结构，研究人员展示了该技术可以推广到螺旋电感器和其他被动射频电路元件。此外，研究人员还探索了不同信号频率和幅度下的QFM磁测量动态范围，得到了预期行为的额外分析表达式。将高性能宽场NV金刚石显微镜与QFM交流磁测量技术相结合，为新的磁成像应用打开了大门，包括集成电路的高分辨率功率谱分析（PSA）成像、电子故障分析、约1-100MHz电气元件的验证，甚至量子计算硬件（例如离子阱芯片）的诊断。
主要研究人员
DanielleA.Braje，麻省理工学院林肯实验室组长，研究方向为电子与光子学：量子技术、光子学、半导体/传感与成像：化学与辐射传感、光学传感/计算机科学：网络与信号、量子计算/通信系统：无线/能源与分配：电化学装置/人工智能（AI）与机器学习（ML）/化学与材料：催化与合成。
参考链接