磁体传感器利用电子自旋实现宽带微波检测

与金刚石中与氮空位（NV）缺陷相关的电子自旋是一种可在室温下提供高空间分辨率和灵敏度的磁场传感器，已经被用于研究纳米尺度的核磁共振，生物磁学、古地磁学和固体磁性，以及量子材料中的电流。

这些应用大多数侧重于检测0~100 MHz频率范围内的磁场，其中一系列自旋控制技术可以实现高灵敏度、可调谐检测频率，而无需特定的电子自旋共振（ESR）频率。相比之下，微波范围（1~100 GHz）基于NV的传感，目前依赖使用磁偏置场将ESR调谐到感兴趣的频率。

这种偏置场改变了正在研究的磁体或超导样品的特性，例如通过改变其激发光谱，从而限制了它们在材料科学中的应用。此外，其磁场必须达到特斯拉（T）级才能在10~100  GHz范围运行，使得所需要的磁体较大且调整缓慢，从而无法应用于小型化传感器封装。

据麦姆斯咨询介绍，荷兰代尔夫特理工大学（Delft University of Technology）Kavli纳米科学研究所量子纳米科学系的研究人员通过将包含NV传感器自旋层的金刚石芯片与薄膜磁体连接，实现了一种基于宽带自旋的微波传感器。其核心概念是自旋波的非线性动力学——磁性膜的集体自旋激发——在泵浦场的应用下将目标信号局部转换为NV ESR频率。这项研究成果已经以“Broadband microwave detection using electron spins in a hybrid diamond-magnet sensor chip”为题发表于近期的Nature Communications。

通过片上自旋波介导的频率转换，利用金刚石中的自旋检测微波磁场

研究人员通过四自旋波混频在固定磁偏置场下实现了约1 GHz的检测带宽，并通过差频产生在ESR频率以上的数GHz处实现微波检测。尽管存在数GHz失谐，但是泵浦可调谐检测频率能够表征自旋波带结构，并提供对限制转换过程的非线性自旋波动力学的洞察。

此外，转换后的微波具有高度相干性，能够通过非共振驱动场对传感器自旋进行高保真控制。

传感器平台

由此构建的混合金刚石-磁体传感器平台由金刚石膜中的近表面NV自旋组成，金刚石膜位于钇铁石榴石（YIG）薄膜之上，YIG是一种具有低自旋波阻尼的磁绝缘体。通过一根带状线将“双色”信号和泵浦微波场传送到YIG膜，在YIG膜中，它们分别以信号和泵浦频率fs和fp激发自旋波。

通过测量绿色激光激发下的自旋相关NV光致发光，来检测ESR频率fNV下的频率转换微波。ESR频率由外部磁偏置场BNV固定。

通过四自旋波混频进行微波探测

第一个检测协议利用了简并四自旋波混频——光学四波混频的磁模拟。在准粒子图中，这一过程对应于频率为fi=2fp-fs的两个“泵浦”磁振子散射成一个“信号”磁振子和一个“空闲”磁振子。

这种转换能够检测与ESR频率失谐的微波信号，这在NV中心的光学响应中是不可见的。通过调整泵浦频率，能够检测特定微波频率的信号。

通过四自旋波混频和频率梳进行微波检测

通过差频产生进行微波检测

总结来说，研究人员展示了固定磁场偏置下千兆赫兹带宽的磁振子介导、基于自旋的微波磁场传感。泵浦频率决定检测频率，检测范围仅受自旋波能够被有效激发的频率的限制。

频率转换的相干性，使得能够通过非共振驱动场对固态自旋进行相干操作，如本文金刚石中的自旋所展示。这种相干性能够结合先进的自旋操纵协议，如外差或修饰态传感，以进一步增强检测能力，并为混合量子技术的应用开辟道路。

在更大的感测体量中，NV中心的宽场读出将增强微波灵敏度（最终受热自旋波噪声的限制）。研究人员设想使用片上“微波到自旋波换能器”（如带状线谐振器）检测自由空间微波，以及通过结合适合的磁性材料并施加泵浦场来表征局部微波发生器（如自旋力矩振荡器）。

使用扫描NV磁强计对自旋波混频产生的空间磁化动力学进行成像，可以深入了解自旋波色散以及与纳米级灵敏度的相互关系。本研究所展示的混合金刚石-磁体传感器平台不需要大的磁偏置场就可以实现宽带微波表征，并为探测新材料（如范德华磁体）的高频磁谱开辟了道路。

审核编辑：刘清