Magnetic field sensing based on the infrared absorption of nitrogen-vacancy centers in diamond

Abstract

In recent years negatively charged nitrogen-vacancy (NV) color centers in diamond have garnered much interest as solid-state quantum sensors for magnetic fields, electric fields, and temperature. These centers are described as two electron system, whose spin state can be optically initialized, read out, and coherently manipulated, rendering it as an outstanding quantum sensor, even at room temperature. In this work we explore the use of NV ensembles as magnetometer platforms, which promises sensitivities exceeding those of single centers. Our work covers both common optical readout techniques, i.e. recording of the emitted Fluorescence or measuring the absorption of infrared light, with a focus on the latter. Furthermore, we investigate the enhancement in sensitivity by multiple internal reflections of the optical fields within a twodimensional diamond waveguide which increases the interaction path length. These monolithic waveguide structures have the advantage of simpler experimental realization over cavity based setups. Additionally, the experimental findings are corroborated by a semi-empirical rate equation model that takes into account all available setup and sample parameters. In course of this work, we demonstrate sensitivities ranging into the sub-nT/√Hz regime, being competitive with state-of-the-art demonstrations.

In den letzten Jahren haben negativ geladene Stickstoff-Fehlstellen (NV) Farbzentren in Diamant viel Interesse als Festkörper-Quantensensoren für Magnetfelder, elektrische Felder und Temperatur geweckt. Diese Zentren werden als Zwei-Elektronen-System beschrieben, deren Spinzustand optisch initialisiert, ausgelesen und kohärent manipuliert werden kann, was sie zu einem hervorragenden Quantensensor macht, insbesondere auch bei Raumtemperatur. In dieser Arbeit untersuchen wir die Verwendung von NV-Ensembles als Magnetometerplattformen, deren Empfindlichkeiten potentiell die von einzelnen NV-Zentren übertreffen können. In der vorliegenden Arbeit werden die beiden gängigsten optischen Detektionstechniken verwendet, d.h. Messung der emittierten Fluoreszenz oder der Absorption infraroten Lichtes, wobei der Schwerpunkt dieser Arbeit auf der zweiten Technik liegt. Darüber hinaus untersuchen wir die Verbesserung der Empfindlichkeit, durch mehrfache interne Reflexionen der optischen Felder im zweidimensionalen Diamant-Wellenleiter-Strukturen, was die Wechselwirkungslänge deutlich erhöht. Diese monolithischen Wellenleiterstrukturen können im Vergleich zu Resonator-basierten Aufbauten wesentlich leichter experimentell implementiert werden. Zusätzlich werden die experimentellen Ergebnisse durch ein semi-empirisches Ratengleichungsmodell untermauert, welches alle verfügbaren Parameter der Proben und des Aufbaus berücksichtigt. In dieser Arbeit zeigen wir Empfindlichkeiten für Magnetfeldmessungen, welche die bis in den sub-nT/√Hz-Bereich reichen und damit konkurrenzfähig mit weiteren Experimenten auf dem aktuellen Stand der Wissenschaft sind.