SPAD 어레이와 통합된 솔리드 스테이트 스핀 기반 고속 광역 양자 센서

[find souls in the tree of life]

SPAD 어레이와 통합된 솔리드 스테이트 스핀 기반 고속 광역 양자 센서
왕 구오칭, 프란체스카 마도니니, 보닝 리, 리 창하오, 지시강 시앙, 데리카 빌라, 파올라 카펠라로
최초 게시:2023년 7월 3일
https://doi.org/10.1002/qute.202300046
에 대한
섹션


추상적인
많은 수의 양자 입자를 빠르고 민감하며 병렬로 측정하는 것은 감지, 계산, 시뮬레이션 및 통신과 같은 다양한 양자 정보 처리 애플리케이션을 위한 대규모 양자 플랫폼을 구축하는 데 필수적인 작업입니다. CMOS 센서 및 전하 결합 장치 카메라를 기반으로 하는 실험적 원자 및 광학 물리학의 현재 양자 플랫폼은 낮은 감도 또는 느린 작동 속도로 인해 제한됩니다. 여기서 단일 광자 애벌랜치 다이오드 어레이는 다이아몬드의 고체 스핀 결함과 통합되어 빠른 광시야 양자 센서를 구축하여 최대 100kHz의 프레임 속도를 달성합니다. 양자 시스템의 공간 분해 이미징을 수행하기 위한 실험 설정의 설계가 제시됩니다. DC 및 AC 자기장 감지, 온도, 스트레인, 국소 스핀 밀도 및 전하 역학은 질소 공극 앙상블 다이아몬드 샘플을 사용하여 실험적으로 입증되었습니다. 개발된 광자 검출 어레이는 광학 핀셋에 갇힌 원자 어레이, 광학 격자, 실리콘 도너 및 고체의 희토류 이온과 같은 다른 플랫폼에 광범위하게 적용할 수 있습니다.

1. 소개
두 번째 양자 혁명은 물리적 세계를 설명할 뿐만 아니라 개별 양자 시스템을 지정, 제어 및 감지하기 위해 양자 역학을 사용하여 가능해진 모든 새로운 기술을 설명합니다. 예를 들어, 개별 원자 또는 광자의 거동을 관찰하면 양자 중첩 및 얽힘과 같은 현상을 실현할 수 있습니다.
[ 1 ] 오늘날 혁신은 네 가지 주요 방향으로 추진되고 있습니다. 양자 통신,
[ 2 ] 데이터를 보다 안전하게 전송하기 위해; 양자 시뮬레이션,
[ 3 ] 잘 제어된 시스템에서 물리적 역학을 재현합니다. 양자 계산,
[ 4 ]계산 속도를 높이기 위해; 및 양자 감지,
[ 5 ] 측정 성능을 향상시킵니다. 엄청난 발전에도 불구하고 확장 가능하고 노이즈가 적은 양자 시스템의 충실도 높은 제어를 달성하는 것은 여전히 ​​어려운 일입니다.
[ 6 , 7 ]
측정 분야에서 거시적 샘플이 아닌 단일 양자 입자를 처리해야 하는 필요성은 높은 감도(예: 광학 측정을 위한 단일 광자 감도)를 가진 검출기를 필요로 합니다. 또한 , 보다 강력한 양자 정보 처리 를 위해 양자 시스템 을 확장하기 위해서는 더 많은 수의 양자 입자를 동시에 측정하는 것이 바람직하다 . 예시적인 응용 시나리오에는 고체 스핀을 사용한 광역 양자 감지, [ 10 ] Rydberg 원자 배열을 사용한 대규모 양자 계산,
[ 9 ] 및 광학 격자를 사용한 양자 시뮬레이션이 포함됩니다.
[ 11 ]또한 양자 오류 수정은 감지된 결과를 기반으로 양자 플랫폼에서 피드백을 가능하게 하기 위해 빠르고 충실도가 높은 측정이 필요합니다
[ 12 ] .

CMOS 기술에 통합된 단일 광자 애벌랜치 다이오드(SPAD)는 오늘날 단일 광자를 감지하는 데 널리 사용되며 신뢰성, 견고성 및 소형화와 같은 마이크로전자 기술의 일반적인 이점과 함께 우수한 전체 성능을 제공합니다. 상대적으로 높은 광검출 효율(PDE)과 함께 디지털과 같은 출력(최소한 광자가 흡수될 때마다) 및 판독 잡음이 없기 때문에 단일 광자 계수 또는 시간이 필요한 응용 분야에 적합합니다. -비행(TOF) 평가. 특히 SPAD는 높은 프레임 속도 및 공간 분해능과 함께 단일 광자 감도를 허용하기 때문에 이미징 응용 프로그램을 위한 대형 어레이 구현에 매우 적합합니다.
[ 13 ]CMOS APS(Active Pixel Sensor)는 고속 소자이지만 내부 증폭을 하지 않아 감도가 낮다. EMCCD(Electron-multiplying charge coupled device) 및 ICCD(intensified CCD)는 감도가 높고 수백만 개의 픽셀이 가능하지만 SPAD 어레이보다 부피가 크고 느리며 가격이 비쌉니다.
[ 14 ]이 작업에서는 MPD-SPC3 SPAD 카메라를 기반으로 한 고급 감지 시스템의 개발을 제시합니다.
[ 15 , 16 ]양자 센서로 사용할 수 있는 단일 광자 방출기에서 광 추출을 목표로 합니다. 단일 픽셀 상업용 포토다이오드 또는 벌크 측정의 경우 공간적으로 분해된 CCD 카메라와 같은 최첨단 광자 감지와 비교하여 우리 작업은 SPAD 배열을 질소 공극의 앙상블과 통합한 최초의 작업입니다. NV) 다이아몬드를 중심으로 마이크로미터 규모의 공간 분해능과 빠른 측정 속도(100kHz)를 제공합니다. 벌크 다이아몬드의 최상층을 SPAD 픽셀의 64 × 32 어레이에 매핑하기 위해 유연한 배율로 광학 현미경 설정을 구축합니다. 빠르게 생성되는(>10Mbps) SPAD 데이터의 효율적인 전송 및 처리를 달성합니다. 우리는 AC 및 DC 자기장, 온도, 변형률, 로컬 스핀 밀도, NV 앙상블을 사용한 전하 역학. 보다 광범위한 솔리드 스테이트 및 원자 배열 플랫폼을 위한 양자 응용 프로그램은 전망에서 논의됩니다.

2 MPD-SPC3 SPAD 카메라
SPAD는 항복 전압보다 훨씬 높은 역 바이어스된 ap-n 접합입니다. [ 17 ]이 작동 조건에서 단일 광자의 흡수는 접합을 가로지르는 높은 전기장에 의해 가속되는 전자-정공 쌍을 생성합니다. 전하 캐리어의 에너지는 결국 장치를 통해 몇 밀리암페어의 거시적인 눈사태 전류를 유발하기에 충분합니다. SPAD 프런트 엔드 전자 장치, 즉 퀀칭 회로는 동일한 실리콘 칩에 통합될 수 있습니다. 퀀칭 회로는 애벌런치 전류를 감지하여 퀀칭하고 SPAD를 초기 상태로 재설정합니다. 눈사태는 몇 나노초에서 수백 나노초 범위의 조정 가능한 시간(홀드오프) 동안 항복 아래에서 SPAD 접합부 양단의 전압을 감소시켜 소멸됩니다. 그러면 SPAD 바이어스 전압이 초기 상태로 복원되어 다음 광자를 감지할 준비가 됩니다. 광자를 감지한 후 SPAD의 초기 상태를 복원하는 데 필요한 총 시간을 불감 시간이라고 합니다. 데드 타임 동안에는 광자를 감지할 수 없습니다. 불감 시간으로 인해 SPAD는 선형 작동 범위(즉, 정의된 기간 내 감지 이벤트 수(T )는 낮거나 중간 정도의 광자 플럭스에서만 조명 강도에 선형적으로 의존합니다. 큰 광자 플럭스에서 감지된 광자 수는 선형성에서 벗어나 불감 시간의 역수인 일정한 값으로 포화됩니다. SPAD에 의한 광 신호 측정에는 신호 대 잡음비와 관련하여 몇 가지 장점이 있습니다. 감지기가 디지털 "가이거와 같은" 계수기처럼 작동하기 때문에 전압 또는 전류의 아날로그 측정이 필요하지 않습니다. 따라서 신호를 측정하는 동안 아날로그-디지털 변환기 또는 증폭기에 의해 전자 노이즈가 추가되지 않습니다. 또한 검출기는 CCD와 달리 외부 장비에서 발생하는 전자파 간섭이나 전기적 노이즈에 덜 민감합니다.

그림 1 과 같은 "MPD-SPC3" [ 15 ] 는 0.35 기반의 다목적 단광자 계수 이미지 센서입니다.
m, 64 × 32 SPAD 픽셀 어레이. 각 스마트 픽셀은 노이즈가 매우 낮은(100cps) 원형 SPAD로 구성되며 30
m 활성 영역 직경, 낮은 영역 점유 아날로그 담금질 회로 및 디지털 처리 전자 장치. 담금질 프런트 엔드는 적어도 광자가 충돌할 때마다 다음 카운터 블록에 디지털 펄스를 제공합니다. 3개의 9비트 LFSR(Linear Feedback Shift Register) 카운터를 사용하여 자유 실행(최대 10-
s 통합 시간) 또는 타임 게이트 모드. 자유 실행은 기본 작동이며 시간적 필터링 없이 모든 SPAD 펄스를 지속적으로 카운트하는 것으로 구성됩니다. 반대로 타임 게이트 모드에서는 3개의 통합 이진 카운터 각각이 사용자 정의 시간 창(게이트 신호) 내에서만 활성화됩니다. LFSR 토폴로지는 고속 작동과 낮은 영역 점유를 허용합니다. 3개의 픽셀 내 메모리 레지스터는 전체 어레이에 대해 각 카운터의 내용을 동시에 저장하므로 글로벌 셔터 작동이 가능합니다. 어레이 판독 시간은 사용 중인 카운터 수에 비례합니다. 픽셀당 하나의 카운터를 사용하는 경우 이 시간은 2048 픽셀을 읽는 데 필요한 시간인 10.40-
에스. 고안된 픽셀의 피치는 150
m 및 3.14%의 필 팩터. 이미징 용도의 경우 마이크로렌즈는 충전율을 약 78%까지 향상시킬 수 있습니다. SPAD 카메라는 410nm에서 거의 50%의 피크로 가시광선 및 근자외선 스펙트럼 영역에서 높은 광자 검출 확률(PDP)을 제공합니다. 최소 불감 시간은 50ns이며 최대 카운트 속도는 20Mcps입니다. 다크 카운트율, 즉 광자 검출에 의해 발생하지 않고 주로 열 캐리어 생성과 관련된 애벌런치 비율은 실온(픽셀당 100cps)에서도 매우 낮습니다.

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그림 1
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유연한 제어 및 판독 옵션을 갖춘 3가지 센서 설정 설계
다이아몬드의 NV 센터 는 스핀 상태의 광학적 초기화 및 판독, 실온 작동 조건 및 나노스케일 공간 분해능을 갖춘 양자 감지를 위한 가장 유망한 고체 플랫폼 중 하나였습니다 [ 5 ] . 전자기 신호 감지 기능, [ 18 - 20 ] 온도,
[ 21 ] 스트레인/스트레스,
[ 22 ] 스핀 밀도,
[ 23 ] 충전 환경
[ 24 ]최근 몇 년 동안 입증되었습니다. 판독 효율을 더욱 향상시키고 서로 다른 공간 위치의 동시 측정을 수행하기 위해 광역 양자 감지 기술도 개발되었습니다. [ 10 ] 현미경 대물렌즈를 사용하여 공간 정보를 매핑하고 여러 픽셀의 카메라 많은 수의 픽셀을 이미징하기 위해. 이 섹션에서는 설정 설계의 세부 사항, 유연한 제어 강조 표시 및 다양한 애플리케이션 시나리오에 맞는 판독 옵션을 소개합니다.

3.1 샘플 장착, 자기장 및 마이크로파 제어
NV 감지 실험의 기본 요소는 다이아몬드 호스트 자체입니다. 다른 상자성 센터의 농도를 제어하면서 원하는 양의 NV 결함을 얻으려면 다이아몬드 성장 레시피를 조정하는 것이 중요합니다. 그런 다음 다이아몬드 자체를 장착하여 532nm 여기 레이저로 쉽게 접근할 수 있도록 하고 결과 NV 형광을 수집합니다. 다이아몬드 마운트는 열 구배, 진동 소음 및 다이아몬드에 적용되는 접착제로 인한 추가 변형을 최소화하도록 설계되었습니다. 우리의 설정에서 다이아몬드는 침지 금으로 마감된 전도성 표면 레이어가 있는 인쇄 회로 기판(PCB)의 직경 ≈1mm 구멍 위에 장착됩니다. PCB의 두께는 0.4mm(일반적인 PCB 두께인 약 1mm보다 훨씬 얇음)로 선택됩니다.

제로 필드 조건에서 작동하지 않는 NV 실험의 경우 두 스핀 상태의 축퇴를 깨기 위해 바이어스 자기장이 적용됩니다.
스펙트럼으로 구별
그리고
전환. 우리는 스테이지에 장착된 한 쌍의 영구 자석을 사용합니다.
번역의 자유와 회전의 자유. 두 자석 사이의 거리도 자유롭게 조정할 수 있습니다( 그림 2b 의 삽입 그림(4) 참조 ).

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그림 2

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대표적인 NV 감지 방법 중 하나는 인가된 마이크로웨이브 필드의 주파수를 스캔하여 감지할 자기장에 따라 달라지는 NV 공진 조건을 찾는 것입니다. 공명 마이크로파를 적용하면 더 복잡하고 정밀한 감지 프로토콜을 실현할 수 있습니다. 일반적으로 와이어 루프는 NV 호출 영역 근처에 배치되는 동축 케이블을 단락시켜 구성됩니다. 그런 다음 마이크로파 발생기가 필드를 생성하고 이 필드는 증폭되어 NV 전환을 구동하기 위해 와이어로 전송됩니다. 다른 마이크로파 전달 방식에는 다이아몬드 표면에 직접 제작된 도파관을 사용하는 것이 포함되지만 샘플 변경에 대한 편의성이 부족합니다. 우리의 경우 다이아몬드를 고정하는 PCB는 또한 단락된 동축 케이블의 끝에서 형성된 마이크로웨이브 와이어 루프를 호스트합니다.

3.2 다중 레이저 빔 설정
NV 중심을
상태. 공 초점 설정 설계를 기반으로 하는 일반적인 단일 NV 또는 작은 앙상블 볼륨 실험의 경우 현미경 대물렌즈를 사용하여 광학 여기 빔을 적용하고 형광 신호를 감지합니다 . 여기 빔을 적용할 때 다이아몬드는 현미경 대물렌즈의 출력에 배치되어 회절 제한 지점(보통 200nm ~ 1
m, 개구수 및 레이저 파장에 따라) 레이저에 의해 광학적으로 어드레싱됩니다. 광시야 이미징 애플리케이션의 경우 형광 검출에만 현미경 대물렌즈를 사용하고 반대편에서 넓은 레이저 빔을 적용합니다.

전하 역학 감지와 같은 더 높은 실험 유연성을 허용하기 위해 두 개의 서로 다른 녹색(532nm) 레이저 빔을 포함합니다. 실제로 표준 설정에서 NV의 광학 판독은 광학 편광에 사용되는 것과 동일한 레이저로 수행됩니다. 두 개의 레이저를 사용하면 여기 및 감지가 더 유연해집니다. 예를 들어, 초점이 더 좁고 출력 밀도가 높은 빔과 출력 밀도가 더 작은 두 번째 더 넓은 빔을 생성함으로써 NV의 이온화 및 재결합 프로세스를 사용하여 로컬 전자 및 정공 밀도를 조정하여 전하 역학을 탐색할 수 있습니다. 센터. [ 26 ]집속 빔은 국소 전하 상태 및 전자/정공 밀도 제어에 사용할 수 있는 반면, 넓은 빔은 전체 영역에서 균일한 판독에 사용할 수 있습니다. 집중된 넓은 빔 설정 외에도 두 개의 빔이 서로 다른 두 위치에 초점을 맞추도록 하는 것과 같은 더 많은 시나리오를 쉽게 구현할 수 있습니다.

빔 스플리터를 반파장 플레이트와 함께 사용하여 동일한 레이저 소스(SPROUT-G, 5W)에서 두 개의 레이저 빔을 생성합니다. 각각은 홍채와 함께 음향 광학 변조기(AOM)에 의해 독립적으로 게이트됩니다. 게이팅 신호는 실험 시퀀스에서 레이저를 켜고 끌 수 있도록 펄스 블래스터(PulseBlasterESR-PRO 500)에 의해 제공됩니다. 그림 2b 에 표시된 광학 경로는 LASER-1이 매우 집중되도록 설계되었습니다(30
m-직경) 및 LASER-2 더 넓음(>200
m 직경).

3.3 다중 감지 옵션
3.3.1 측면 수집 및 원거리 수집
내부 전반사로 인해 z 방향으로 두께가 얇은 벌크 다이아몬드 플레이트의 경우 실제로 측면 가장자리에서 더 많은 형광 빛이 나옵니다. [ 27 ] 우리는 ref의 아이디어를 기반으로 별도의 PCB 조각을 고안합니다. [ 27 ] 여기서 3개의 포토다이오드(각각 2mm × 2mm 면적, 여기광을 차단하기 위해 얇은 맞춤형 롱패스 필터가 부착됨)가 다이아몬드 측면에 배치됩니다(그림 2b의 삽입 그림에 표시됨) .). 광다이오드(Hamamatsu S8729)의 순간 전류는 샘플링되어 가변 이득 고속(200MHz) 전류 변환기(DHPCA-100)에 의해 전압 신호로 변환된 다음 내쇼날 인스트루먼트 데이터 수집 카드(NI PCI -6281) 펄스 블래스터에 의해 게이트됩니다. 높은 신호 대 잡음비와 데이터 수집 효율성으로 측면 수집 감지 옵션은 공간 정보가 필요하지 않은 이전 작업에서 주로 사용되었습니다. [ 28 , 29 ]

그림 2b 의 삽입 그림(2,3)과 같이 마이크로파를 전달하고 데이터 수집을 수행하기 위해 별도의 PCB 조각이 사용되지만 측면 수집은 마이크로웨이브 구동 및 레이저 가열로 인해 회로 간섭을 겪습니다. 따라서 현미경 대물렌즈를 사용하여 PCB 뒷면에서 형광을 수집합니다. 그런 다음 형광 신호는 가변 이득 포토다이오드(PBA36A)로 전송됩니다. 두 가지 수집 옵션을 동시에 작동할 수 있어 더 나은 형광 수집 효율성을 제공합니다.

레이저 강도 변동으로 인한 노이즈를 제거하기 위해 10/90 빔 스플리터를 추가하여 두 레이저 소스 중 하나의 강도의 일부를 샘플링합니다. 그런 다음 신호는 별도의 포토다이오드(PBA36A)에 의해 수집되며, 이는 레이저 노이즈를 특성화하고 보상하는 데 유용합니다. 원거리 감지가 데이터 수집에 사용되는 경우 균형잡힌 포토다이오드(예: PDB230A)를 사용하여 훨씬 더 나은 성능으로 레이저 노이즈 제거를 수행할 수 있습니다.

3.3.2 다중 배율을 갖는 SPAD 어레이
MPD-SPC3 카메라를 사용한 광시야 형광 수집은 원거리 수집 경로와 동일한 대물렌즈(N20X-PF - 20X Nikon Plan Fluorite Imaging Objective, 0.50 NA, 2.1mm, 10mm 유효 초점 거리)를 공유합니다. SPC3 카메라의 일치
원하는 공간 해상도의 m 픽셀 크기
m, off-axis 빛이 렌즈에 의해 잘 포착될 수 있도록 보장하기 위해 우리는 125 의 배율을 달성 하기 위해 2단계 배율 프로세스를 설계합니다. 500mm 초점 거리. 두 번째 2.5배 배율은 초점 거리가 200mm와 500mm인 한 쌍의 무채색 렌즈로 얻어집니다. 표준 규칙에 따라 제한된 광학 테이블에서 센티미터 거리를 얻기 위해 거울이 사용되었습니다. 특히, 두 번째 배율을 잠재적으로 우회하고 그림 2b 의 삽입 그림(1)에서 흰색 화살표로 표시된 첫 번째 50배 요소만 유지하기 위해 미러에 플립 마운트를 이용했습니다. . 또한 두 번째 렌즈 초점 거리를 변경하고 SPAD 카메라를 지속적으로 이동하면 다른 배율 값(예: 아래 설명된 실험에서 사용된 10× )에 도달하는 것이 간단합니다. 이러한 교체 가능한 광학 장치는 NV 양자 센서의 공간적으로 분해된 이미지를 위한 작고 유연한 센서를 보장합니다. 실제 실험에서 높은 처리량 측정을 통해 더 큰 배율로 더 미세한 실험을 수행하기 전에 더 작은 배율로 훨씬 더 넓은 공간 범위에서 다이아몬드를 빠르게 사전 스크리닝할 수 있습니다.

다이아몬드는 적색 형광을 방출하지만 많은 양의 녹색 레이저도 통과합니다. 노치 필터(532 및 1064nm)는 녹색광을 걸러내기 위해 대물렌즈 뒤에 배치됩니다. 또한 SPAD 카메라의 롱패스 필터(594nm)는 적색 형광을 위해 남아있는 녹색광을 제거합니다.

그림 3 과 같이 해상도 테스트 대상을 사용하여 공간 해상도를 실험적으로 시연합니다 . NV 앙상블이 있는 벌크 다이아몬드는 해상도 테스트 대상에 접착된 광원으로 사용되며(NV 레이어가 대상을 향함) 약 100의 넓은 녹색 레이저 빔
m 직경은 테스트 대상의 그룹 요소 7에 적용됩니다. 50× 및 125× 배율 옵션이 있는 테스트 대상의 이미지가 그림 3 에 나와 있습니다 . 2 미만의 공간 해상도
따라서 m이 설명됩니다.

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그림 3
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표제
SPAD 카메라의 통합 시간은 실험 컴퓨터의 제어 인터페이스에 의해 설정되는 반면, 데이터 수집 타이밍은 레이저 여기를 포함한 다양한 전자 부품을 동기화하고 트리거하도록 각 실험에서 프로그래밍된 동일한 펄스 블래스터에 의해 제어됩니다. AOM을 통해), 마이크로파 방사선 및 포토다이오드의 측정(데이터 수집 카드를 통해). 빠르게 생성된 SPAD 데이터는 USB 3.0 포트를 통해 컴퓨터로 전송됩니다. 특히 수십 기가바이트의 데이터 크기에 대한 효율적인 데이터 처리는 MATLAB 기반의 메모리 매핑 방법으로 달성할 수 있습니다.

양자 감지의 4가지 응용
4.1 Rabi 자기측정법에 의한 마이크로파 이미징
진동하는 자기장을 주파수로 감지하려면
, 정적 바이어스 필드를 사용하여 NV 단일 양자(SQ) 전이 주파수를 조정할 수 있습니다.
이 주파수로 (여기
MHz G -1 은 자이로마그네틱 비율,
GHz는 제로 필드 분할입니다.) 공진 조건이 만족될 때
, NV 센터, 초기 상태에서 시작
, 사이에 일관된 진동을 겪습니다.
그리고
(또는
) 빈도
, 라비 주파수라고합니다. 실험적으로 우리는 시간 의존적 모집단을 모니터링합니다.
, 여기서 우리는 Rabi 주파수와 진폭을 얻습니다.
목표 신호의 ( 그림 4a ). [ 30 ]

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그림 4
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표제
설계된 설정의 유연성을 보여주기 위해 Rabi 자력 측정법을 사용하여 PCB의 루프 구조에 의해 생성된 마이크로파 필드 진폭을 매핑합니다. 넓은 레이저 빔을 사용하여 다이아몬드의 넓은 영역을 처리합니다. 수집 옵션이 다른 측정된 Rabi 진동은 그림 4d 에 나와 있습니다 . 진동 신호를 감쇠하는 정현파에 맞추면
, 우리는 일관성 시간을 얻을 수 있습니다
및 라비 주파수
. 단일 픽셀 측정은 더 긴 일관성 시간(1.40
s) 모든 픽셀에 대한 평균 신호(0.79
s, 둘 다 50배 배율에서 측정됨). 유사하게 원거리 포토다이오드 측정은 가장 짧은 일관성 시간을 제공합니다(단지 0.26
s) 신호가 훨씬 더 넓은 공간 영역(루프 내의 거의 전체 영역 포함)에서 수집되기 때문에 그림 4d 의 검은색 데이터 포인트로 표시됩니다 . 그림 4c 에서는 넓은 시야에서 마이크로파 진폭을 이미지화하기 위해 10배 확대 옵션을 선택합니다. 서로 다른 y 스테이지 위치 에서 측정된 세 개의 프레임을 결합 하고 루프에 의해 생성된 마이크로파 진폭 분포를 보여줍니다. 루프 부근의 Rabi 주파수는 10MHz에 가까운 반면 중앙 영역에서는 상당히 균일하며 5MHz에 가깝습니다. 그림 4e 에서는 12개 프레임을 결합하여 루프 가장자리 근처의 그래디언트를 이미지화하는 50배 확대 옵션을 사용하여 넓은 영역을 측정합니다.

각 개별 프레임의 가장자리에서 이미지의 불연속성은 서로 다른 주파수 디튜닝으로 인한 것입니다.
다른 프레임을 측정할 때. 유효 Rabi 주파수는 다음으로 수정됩니다.
. 이러한 주파수 불일치는 자기장, 온도 또는 변형의 구배에 의해 유도될 수 있습니다. 이러한 그래디언트의 특성화는 다음 하위 섹션에서 곧 소개됩니다.

우리의 결과는 Rabi 자기 측정법으로 마이크로웨이브를 이미징하는 우리 설정의 능력을 보여줍니다. 일관성 시간
Rabi 진동의 신호 수집의 공간 범위에 크게 의존하며, 이는 이전 작업에서 제안된 마이크로파 필드의 공간적 비균질성으로 인한 감쇠 메커니즘을 검증합니다. 짧은 결맞음 시간을 발생시키는 포토다이오드 측정과 비교하여 SPAD 측정은 긴 결맞음 시간과 공간적으로 분해된 정보의 이점을 모두 결합 합니다 .

4.2 Ramsey 자기측정법에 의한 자기장 이미징
정적 자기장을 감지하기 위해 초기를 적용할 수 있습니다.
SQ 중첩 상태에서 스핀 상태를 준비하기 위한 펄스
. 진화 시간 T 후 , 상대 위상
결산 전에 누적됩니다.
펄스 및 투영 광학 측정은 모집단 판독을 실현합니다. 여기
전체 영역을 합산하는 실험에 의해 보정된 평균값과 관련하여 서로 다른 공간 위치에서 제로 필드 분할 및 정적 자기장의 이동입니다. 일반적으로 결승전
펄스는 시간에 따른 위상으로 실현됩니다.
첫 번째와 관련하여
스핀 일관성 동작을 더 잘 시각화하기 위해 신호에 주파수 ν에서 추가 진동을 추가하는 펄스. 시퀀스는 그림 5a 에 나와 있습니다 . 온도와 변형률이 일정하고 균일할 때 SQ Ramsey 자력 측정법을 사용하여 정적 자기장을 측정할 수 있습니다.
.

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그림 5

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표제
자기장의 광시야 이미징을 수행하기 위해 50배 배율 옵션(아래의 모든 실험에서 동일)을 선택합니다. 실험 결과는 그림 5c 에 나와 있으며 y 방향을 따라 명확한 기울기를 볼 수 있습니다. 추론된 자기장 변화는
에게
m은 약 0.286G입니다. 자기장 구배로 인한 NV 전이 주파수 불균일성은 Rabi 주파수보다 훨씬 작기 때문에 이러한 구배는 Rabi 이미징 측정에 너무 많은 영향을 미치지 않습니다(그림 4 ) . 더욱이, 특성화된 구배는 마이크로웨이브 이미징을 개선하는 데 사용될 수 있습니다. 그림 5b 에서는 포토다이오드와 SPAD 측정을 다시 비교합니다. 가장 짧은 Ramsey 일관성 시간
s는 포토다이오드 측정에서 관찰되는 반면 SPAD 이미지의 평균 신호는 0.29를 제공합니다.
s 및 (c)에서 빨간색 원으로 표시된 작은 픽셀 그룹의 총 신호는 더 긴 0.35를 제공합니다.
에스. D 의 변화로 이어지는 온도 또는 변형의 구배는 NV 공명 주파수 구배를 도입할 수도 있습니다. 자기장, 온도 및 변형 구배뿐만 아니라 자기 쌍극자 상호 작용이 있는 고유 스핀 배스는 Ramsey 신호의 붕괴에 기여합니다. [ 31 , 32 ]

측정된 공간 구배가 자기장에 의해 제공되는지 추가로 확인하려면
제로 필드 분할의 이동 대신
, 초기 DQ 중첩 상태를 사용하는 DQ Ramsey 자기 측정법을 소개합니다.
공명 마이크로파 구동을 두 개의 SQ 전환 모두에 동시에 적용하여 준비했습니다. 시간 T 에서 누적된 상대 위상은 다음과 같습니다.
, 이는 SQ Ramsey 경우보다 두 배 더 큽니다.
. DQ Ramsey 측정은 D 의 주파수 편이와 독립적이므로 D 의 값을 변경하여 NV 전이 주파수에 주로 영향을 미치는 온도, 변형 또는 전기장의 잠재적 기여를 제외합니다 . 실험 결과는 그림 5e 에 나와 있으며, 이는 (c)의 이미지와 일치합니다((e)의 Ramsey 디튜닝 주파수 기울기는 (c)의 SQ 측정보다 두 배 더 큽니다).

SPAD 설정의 감도는 디 튜닝의 피팅 불확실성을 사용하여 대략적으로 추정할 수 있습니다.
픽셀당 감도가 다음과 같은 4픽셀 DQ Ramsey 측정을 위한 MHz

산 (
) -1 . 여기
총 실험 수입니다.
시퀀스 데드타임이고
ms. 그림 4b 에서 자기장 구배를 해결하는 설정의 기능도 테스트합니다. 여기에서 0.53 ± 0.21 MHz ODMR이 12 거리에서 이동(0.2 G에 해당)함을 보여줍니다.
m을 해결할 수 있습니다.

4.3 Double-Quantum Echo(또는 D-Ramsey)에 의한 온도 및 변형 감지
제로 필드 분할 D 의 이동을 감지하려면 이중 양자 스핀 에코에 의해 자기장 결합 항을 취소해야 하며, 이는 Ramsey 시퀀스의 중간에 이중 양자 π 펄스를 추가합니다. D-Ramsey라고도 하는 이 방법은 온도 [ 33 , 34 ] 및 결정 변형을 측정하는 데 사용되었습니다 . [ 35 ] SQ 중첩 상태가 초기 상태로 사용되는 대부분의 이전 작업과 달리 여기서는 중첩 상태를 사용합니다.
, 이는 일정 기간(상태를 준비하는 DQ Ramsey의 초기 펄스 지속 시간의 절반) 동안 두 SQ 전이 모두에 공명 마이크로파 구동을 동시에 적용하여 준비할 수 있습니다.
), 또는 합성 SQ 펄스(a
하나의 SQ 전환에 적용되는 펄스
펄스가 다른 SQ 전환에 적용됨). DQ π 펄스는 자유 진화의 중간에 적용되며, 이는 3개의 SQ π 펄스로 구성됩니다.
,
,
전환.

측정된 주파수 편이
, 그림 5d 에 표시된 것은 전체 이미지에서 매우 작은 값(0.01MHz 미만)을 보여줍니다. 결과는 온도(<0.15K)와 변형률(<1ppm)의 균일한 공간 분포를 보여줍니다.

4.4 방사욕 특성화 및 전하 역학
자기장, 온도 또는 변형 비균질성이 작은 단일 픽셀(또는 작은 픽셀 그룹) 내에서 NV 센터의 Ramsey 디코히어런스 시간을 분석할 때 지배적인 노이즈는 다음과 결합된 주변 스핀에 의해 제공됩니다. 자기 쌍극자 상호 작용을 통한 NV 스핀. 간단한 차원 분석은 감쇠율이
최근에 분석된 바와 같이 로컬 스핀 밀도에 비례해야 합니다. 따라서 Ramsey 디코 히어 런스를 특성화하면 로컬 스핀 밀도 의 프로브가 제공됩니다. 시스템에서 스핀 밀도 구배를 생성하기 위해 큰 전력 밀도를 가진 집속 빔을 사용하여 가전자대에서 전자를 지속적으로 펌핑하는 두 전하 상태 NV - 및 NV 0, [ 26 , 37 ] 사이 의 순환 전이 를 빠르게 구동합니다. 전도대에. 그런 다음 생성된 전자는 양전하 질소 결함(스핀 없음)과 결합하여 중성 질소 결함(P1 중심, 스핀 1/2)으로 변환합니다. [ 38] Ramsey 일관성 시간을 단축합니다. 실험 결과는 그림 5f 에 나와 있으며 중앙 영역의 Ramsey 결맞음 시간이 외부 영역보다 짧아 중앙 영역에서 더 큰 스핀 밀도를 나타냅니다. 그림 5g 에서 짧은 시간에 Ramsey 측정의 신호 대비를 보여줍니다. 집중된 레이저 빔에 의해 조명된 영역은 훨씬 더 작은 신호 대비를 보여줍니다. 레이저 조명 아래에서 콘트라스트 감소는 NV- 의 이온화로 인해 양자 감지에 사용되는 NV 센터의 수가 감소합니다(NV 0전하 상태도 녹색 레이저 아래에서 적색 형광을 방출하지만 에너지 구조가 다르기 때문에 양자 감지에 사용할 수 없으므로 신호 대비를 제공하지 않습니다.

4.5 스파스 NV 센터가 있는 다이아몬드에 대한 성능 테스트
스파스 에미터에 대해 카메라를 테스트하기 위해 질소-15로 성장한 다이아몬드 샘플을 사용하고 NV 센터는 1에 집중되어 있습니다.
m 다이아몬드 표면 아래의 얇은 층. 예상 NV 밀도는 10ppb 미만입니다. 우리는 100을 사용하여 다이아몬드를 밝힙니다.
m 직경의 녹색 레이저 빔은 빔 크기가 그림 6a 와 같이 프레임 크기와 유사하도록 합니다 . 형광 강도가 낮기 때문에 대물렌즈에서 수집한 신호를 카메라나 원거리 포토다이오드로 보냅니다. SPAD와 포토다이오드에 의해 측정된 ODMR 실험은 그림 6b 에 나와 있으며 , 이는 포토다이오드보다 스파스 에미터를 감지하는 카메라의 감도 이점을 보여줍니다. 전체 프레임의 대비는 작은 픽셀 그룹의 대비와 다릅니다. 콘트라스트에 영향을 미치는 요인에는 레이저 강도 및 조명 시퀀스에 따라 달라지는 스핀 초기화/판독 시간 척도, 전하 역학 등이 포함됩니다. 두 가지 수집 옵션의 신호 및 배경 잡음은 그림에 나와 있습니다. 6c , 이는 SPAD 어레이의 더 나은 성능을 나타냅니다.

자세한 내용은 이미지 뒤에 있는 캡션에 있습니다.
그림 6

그림 뷰어에서 열기
파워 포인트
표제
5 논의 및 전망
이 작업에서 우리는 단일 광자 애벌랜치 다이오드 어레이를 양자 정보 처리 애플리케이션에 적용한 것을 보고합니다. SPAD 어레이는 빠른 프레임 속도, 단일 광자 감도 및 측정 성능을 향상시키기 위해 최첨단 양자 장치와 동기화할 수 있는 외부 게이트 제어를 특징으로 합니다. 솔리드 스테이트 스핀을 기반으로 하는 양자 센서를 시연 플랫폼으로 사용하여 SPAD 어레이를 현미경 대물렌즈와 통합하여 빠른 광시야 양자 이미징 설정을 구축합니다. 유연한 광자 수집 옵션을 통해 전체 형광 신호를 수집하도록 설정을 최적화하거나 단일 광자 감도로 광역 양자 이미징을 수행하도록 조정할 수 있습니다. 우리는 NV 앙상블과 함께 벌크 다이아몬드 샘플을 사용하여 dc 및 ac 자기장, 온도, 변형을 감지하는 설정 기능을 보여줍니다.

다양한 양자 감지 애플리케이션의 원리 증명 시연은 ≈10ppm 질소 밀도와 ≈0.4ppm NV-밀도를 갖는 NV 앙상블 샘플을 기반으로 하며, 이는 단일 NV 희박한 샘플보다 훨씬 더 큰 형광 강도를 제공합니다. 중심(NV의 분리가 현미경의 해상도보다 큰 경우). 결과적으로 SPAD 카메라의 광자 수집 속도(최대 1광자/50ns, 20M 카운트 s-1에 해당)와 일치하도록 형광 신호를 감쇠시켜야 합니다 .), 현미경으로 수집된 광자의 약 1~3%만이 카메라로 보내집니다. 이것은 실제로 신호의 90% 이상을 포토다이오드에서 동시에 수집할 수 있게 하여 평균 신호에 대한 높은 감도와 대상 수량의 분포에 대한 공간 정보를 모두 제공합니다. 낮은 광자 카운트 속도로 희소 방출기를 측정할 때 SPAD 수집 효율을 최적화하려면 단일 광자 감도를 최대한 활용하기 위해 모든 형광 신호를 카메라로 전송해야 합니다. SPAD 수집 효율을 더욱 향상시키기 위해 마이크로렌즈를 사용하여 유효 픽셀 필 팩터를 약 78%까지 높일 수 있으며, 고체 침지 렌즈(SIL) 및 광 파이프/가이드와 같은 다른 수집 기술도 통합하여 수집 효율을 향상시킬 수 있습니다. . [ 30 ,39 - 43 ]

빠른 프레임 속도로 우리의 설정은 다이아몬드의 전하 수송 현상과 같은 동적 프로세스를 연구하는 데 적합합니다. [ 26 , 37 , 44 ] CCD 유형 카메라를 기반으로 하는 일반적인 광시야 감지 설정에는 일반적으로 더 많은 픽셀이 있고 더 큰 형광 신호를 셀 수 있지만 단일 광자 감도에 도달할 수 없으며 프레임 속도는 일반적으로 Hz에서 kHz 범위입니다. 실제로 CCD 카메라의 광자 감도와 프레임 속도를 모두 우리 카메라와 유사하게 개선할 수 있다면 매우 빠르게 증가하는 데이터 크기의 저장 및 전송이 이러한 장치를 구축하는 데 있어 주요 과제가 될 것입니다.

단일 광자 감도를 갖춘 우리의 설정은 단일 광자 방출기 배열을 이미지화하는 이상적인 플랫폼입니다(일반적인 분리 거리:
m) 이온 주입, [ 45 ] 또는 희박한 NV 앙상블(<100 ppb 농도)에 의해 생성될 수 있습니다. 약 50k 카운트 s -1 의 일반적인 단일 NV 광자 수집 속도 사용NA = 1.3에서 추정할 때, 우리의 설정(NA = 0.5)은 회절 제한 검출 부피 내에서 최대 약 1000개의 NV 센터를 측정할 수 있으며, 이는 100nm NV 층 두께를 가정할 경우 25ppb 질소 공석 농도에 해당합니다. 포톤 샷 노이즈로 인해 더 큰 이미터 앙상블이 일반적으로 더 나은 감도를 제공하며, 신호 판독이 덜 효율적이고 일반적으로 많은 수의 평균이 필요하지만 단일 또는 스파스 이미터는 높은 공간 분해능을 달성하는 데 유리합니다. 또한, 단일 이미터의 판독 충실도는 스핀-전하 변환, [ 46 ] ancilla 보조 반복 판독, [ 47 ] 공명 광학 여기 기술을 통해 95% 이상으로 향상될 수 있습니다 . [ 48]

고밀도 스핀 앙상블을 기반으로 하는 최신 광시야 센서는 일반적으로 CMOS 카메라로 제작됩니다. 합리적인 데이터 크기(평균 신호만 유지)를 유지하면서 최적화된 감지 시퀀스와 일치하는 빠른 프레임 속도를 달성하기 위해 병렬 록인 측정, [ 49 - 51 ] 광학 초퍼, [ 52 ] 와 같은 다양한 변조/복조 기술이 개발되었습니다. 광학 줄무늬 기술. [ 53 ]고밀도 앙상블을 사용하는 기존 감지 작업의 경우 이러한 센서는 더 나은 감도 성능을 가질 것으로 예상됩니다. 그러나 이러한 설정이 빠른 역학(예: 수십 kHz) 또는 높은 공간 해상도를 위한 이미지 단일/희소 방출기를 효율적으로 측정하는 것은 여전히 ​​어렵습니다. 대조적으로 SPAD 어레이를 기반으로 하는 광시야 센서는 단일 광자 감도로 최대 100kHz의 높은 프레임 속도를 직접 달성함으로써 이점을 보여줍니다. 나노스케일 양자 감지 외에도 응용 프로그램에는 단일 시퀀스의 여러 다른 측정을 기반으로 하는 피드백 또는 적응 제어, [ 54 , 55 ] 공분산 자력 측정 [ 56 ] 과 같은 공간 및 시간 상관 측정이 포함됩니다.뿐만 아니라 결함 이온화 및 고체의 전하 수송 역학과 같은 빠른 동적 프로세스의 특성화. [ 26 ]

우리의 설정 은 대규모 양자 계산 및 양자 시뮬레이션을 위한 유망한 시스템으로 부상한 광학 집게 [ 9 ] 에 갇힌 원자 배열과 같은 다른 양자 플랫폼에 적용될 수 있습니다. 그러나 이러한 플랫폼의 주요 제한 사항 중 하나는 큐비트 디코히어런스보다 느린 느린 신호 판독 속도로 잠재적인 양자 오류 수정 코드의 적용을 방지합니다. SPAD 어레이를 원자 어레이와 통합하면 이러한 문제에 대한 잠재적 솔루션을 제공합니다.

감사의 말
이 작업은 DARPA DRINQS 프로그램(협력 계약 번호 D18AC00024)에 의해 부분적으로 지원되었습니다. GW는 설정 구축에 도움을 준 Wenchao Xu, Zeyang Li, Lin Su와 저밀도 다이아몬드를 제공한 Dane W. de Quilettes, Eden Price 및 Danielle A. Braje에게 감사드립니다. GW는 대학원생 친교 형태로 지원해 준 MathWorks에 감사드립니다. 이 간행물에 표현된 의견과 관점은 저자의 의견이며 반드시 MathWorks의 의견은 아닙니다. FM은 지원을 위한 Rocca 프로그램과 MPD-SPC3 카메라를 제공한 Micro Photon Devices Srl을 인정합니다.

이해 상충
저자는 이해 상충을 선언하지 않습니다.

저자 기여
GW, FM 및 BL이 이 작업에 동등하게 기여했습니다. GW와 PC는 아이디어를 구상했습니다. GW 및 FM은 BL, CL 및 JXGW, FM 및 BL의 지원을 받아 설정을 설계 및 구축하여 제어 인터페이스 및 데이터 처리 소프트웨어를 작성했습니다. GW와 FM은 양자 감지 실험을 구현하고 데이터를 분석했습니다. 모든 저자는 결과에 대해 논의했습니다.

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