摘要

基于金刚石氮空位中心的射频（RF）磁力计预计将提供飞特斯拉灵敏度，但之前的实验仅限于皮特斯拉水平。 我们展示了一种飞特斯拉射频磁力计，该磁力计使用插入铁氧体通量集中器之间的金刚石膜。该器件可为 70 kHz 至 3.6 MHz 的射频磁场提供约 300 倍的幅度增强，并且灵敏度在 0.35 MHz 时达到约 70 fT√s。该传感器检测到室温亚硝酸钠粉末的 3.6 MHz 核四极共振 (NQR)。 射频脉冲后传感器的恢复时间约为 35 μs，受到励磁线圈的振铃时间的***。 亚硝酸钠 NQR 频移随温度变化为 -1.00±0.02 kHz/K，磁化移相时间为 T2*=887±51 μs，多脉冲序列将信号寿命延长至 332±23 ms，所有这些都与基于线圈的结果一致。 学习。 我们的研究结果将金刚石磁力计的灵敏度前沿扩展到飞特斯拉范围，在安全、医学成像和材料科学方面具有潜在的应用前景。

介绍

基于金刚石中带负电的氮空位 (NV) 中心的磁力计是很有前景的室温传感器，可用于检测各种频率的磁现象。在过去的十年中，已经开发了各种传感协议和制造方法，以提高金刚石磁力计在亚 10 kHz、射频 (RF)和微波 (MW) 中的灵敏度频率范围。 然而，报道的***佳灵敏度 ~1 pT s1/2仍然落后于基于碱金属蒸气和超导量子干涉装置的磁力计可达到的水平。

***近，磁通量集中器已被用来提高金刚石磁力计的性能，并且通过插入 NV 掺杂金刚石膜，实现了低频 (≲1 kHz) 的亚皮特斯拉灵敏度 位于两个铁氧体锥体之间。 我们假设，如果通量集中器的磁性能在射频范围（千赫兹到兆赫兹）下不会降低，则可以使用相同的方法来提高射频范围内的灵敏度。 事实上，在 RF 范围内可能会有更好的灵敏度，因为金刚石 RF 磁力计可以在 NV 自旋相干时间显着更长的脉冲状态下运行。

具有飞特斯拉灵敏度的金刚石射频磁力计可能会立即用作核四极共振（NQR）光谱学的非感应探测器。 NQR 光谱是一种固态分析技术，基于核四极矩与其局部电场梯度的耦合提供独特的化学指纹。 NQR 光谱用于识别环境条件下的粉末物质，用于安全和制药应用，并研究单晶材料的温度依赖性特性。 这些应用通常需要能够在低偏置磁场 ≲1 mT 下以飞特斯拉灵敏度检测千赫兹到兆赫兹的频率。 此前，NV 中心用于检测与金刚石直接接触的单晶氮化硼层中纳米级统计偏振产生的 NQR 信号。 然而，由于需要高灵敏度，使用 NV 中心远程检测粉末仍然是一个开放的挑战。

在这里，我们展示了一种频率可调的金刚石射频磁力计，在 0.35 MHz 时灵敏度为 ∼70 fT s1/2，使用铁氧体通量集中器和多脉冲同步读出方案。 对于 0.07 至 3.6 MHz 的频率范围，灵敏度保持在该值的三倍以内。 我们使用磁力计检测亚硝酸钠粉末样品中 14N 的 3.6 MHz NQR 信号。我们的工作将金刚石磁力测量的灵敏度前沿扩展到飞特斯拉范围，并引入了一种用于固态磁共振远程检测的新方法。

结论

金刚石射频磁力计的示意图如图 1A 所示。 该装置与之前用于低频磁力测量的装置类似，但有所修改。

讨论

虽然这项工作在金刚石量子传感器的开发中实现了多个基准，但目前射频磁力测量和 NQR 检测的实现远远没有达到基本***。

来源：science.org DOI: 10.1126/sciadv.adh3189