ダイヤモンド中窒素空孔中心(Nitrogen-Vacancy center; NVセンター)中に局在する電子スピンは、室温大気圧下で様々な物理量を高感度かつ高空間分解能で測定する量子センサとして注目を集めている。NVセンターを用いてセンシング可能な物理量はベクトル磁場、ベクトル電場、温度等多岐にわたる。しかしながらNVセンターを用いたこれらの物理量のセンシングは、それぞれ独立に研究が行われており複数の物理量を複合センシングする試みはあまり行われてこなかった。その理由として、測定対象となる物理量によって高感度化に必要なサンプルの条件が異なるためである。近年磁場と温度の複合センシングの研究が進められているが、先行研究ではスカラー磁場と温度の複合測定にとどまっている。そんな中、我々の研究室では複数の周波数のマイクロ波を同時に照射する多周波マイクロ波制御の手法によってサンプルに存在する複数の配向軸(量子化軸)のNVセンターを同時に制御しセンシングする技術を開発した。この技術を用いることでベクトル交流磁場の高感度なセンシングを実験的に実証した。この手法は磁場センシングに限らず、温度測定を含む他のセンシングに適用可能であることが期待される。
本研究ではNVセンターを用いた温度センシングにおいて、多周波マイクロ波制御法を適用することで、従来法に比較して高感度な温度センシングが可能であることを実験的・理論的に示し、同手法がベクトル磁場と温度の高感度複合センシングに有用であると示した。多周波制御の手法を用いることで、NVセンター集合体に存在する異なる配向軸のNVセンターを同時に制御、測定することで、単一周波制御に比べ信号を増強し、温度感度を1.8倍、ベクトル磁場感度を2.7倍以上向上させることができた。この結果は、我々の開発した多周波制御法を用いることで、同一のサンプルかつ同一のセットアップを用いて、ベクトル磁場と温度の両方を高感度にセンシング可能であることを示している。
Electron spins of nitrogen-vacancy centers (NV centers) in diamond have attracted much attention as quantum sensors to measure various physical quantities with high sensitivity and spatial resolution at room temperature. The measurable field using NV centers includes magnetic field, vector electric field, temperature, and so on. However, the sensing of these physical quantities using NV centers has been studied independently, and there have been few attempts to combine sensing of multiple physical quantities. The reason is that the sample conditions required for high sensitivity differ depending on the physical quantity to be measured. In recent years, multiple sensing of magnetic field and temperature has been studied, but previous studies have been limited to combined measurement of scalar magnetic field and temperature. In recent years, our laboratory has developed a multi-frequency technique to simultaneously control and sense the NV centers of various orientation axes (quantization axes) in a sample by using multi-frequency microwaves. By using this technique, we have experimentally demonstrated highly sensitive sensing of vector AC magnetic fields. This technique is expected to be applicable not only to magnetic field sensing but also to other sensing applications including temperature measurement.
In this study, we experimentally and theoretically demonstrated that the multi-frequency microwave control method can be applied to temperature sensing using NV centers with higher sensitivity than the conventional method and showed that the method is useful for high-sensitivity multiple sensing of vector magnetic fields and temperature. By using the multi-frequency control method, the NV centers with different orientations can be controlled and measured simultaneously, which enables us to enhance the signal and improve the temperature sensitivity by a factor of 1.8 and the vector magnetic field sensitivity by a factor of 2.7 compared to the single-frequency control method. This result indicates that the multi-frequency control method can be used to sense both vector magnetic field and temperature with high sensitivity using the same sample and the same setup.
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