Simultaneous vector magnetometry based on fluorescence polarization of NV centers ensemble in diamond

磁强计 钻石 极化(电化学) 荧光 材料科学 光电子学 凝聚态物理 物理 核磁共振 磁场 光学 化学 物理化学 量子力学 复合材料
作者
Mingxin Li,Heng Yuan,Pengcheng Fan,Sixian Wang,Jihongbo Shen,Lixia Xu
出处
期刊:Applied Physics Letters [American Institute of Physics]
卷期号:125 (14) 被引量:4
标识
DOI:10.1063/5.0220694
摘要

The nitrogen-vacancy (NV) centers ensemble has extensive application prospects in vector-magnetic-field measurement due to its accurate and fixed spatial orientations along the crystallographic axes of diamonds. However, to address signals of NV centers along all four axes, a large bias magnetic field sufficient to spectrally separate their resonances is typically inevitable, which may affect the magnetic substance under test and require multiple-frequency microwaves to interrogate signals of the four axes. Here, we demonstrate an NV-based simultaneous vector magnetometer that works at a bias field as low as just separating the resonant peaks of |ms=±1 states and utilizes a single-frequency microwave. By simultaneously detecting the fluorescence at specific optical polarization angles in three orthogonal directions and determining the transformation matrix in advance, all the Cartesian components of the magnetic field under test are distinguished. The experimentally achieved magnetic-field sensitivity is 63 nT/Hz, and the bias field is reduced to around 11 Gauss (still reducible by narrowing the linewidth) in ambient conditions. The proposed methods dramatically reduce the bias field for NV-based simultaneous vector magnetometers and potentially expand their applications in biological science, materials science, and industrial noninvasive detection.

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