Diamond NV colour centre spin resonance magnetometers: from fundamentals to advanced operation principles

Abstract

The first part of the thesis - chapter 1 presents to the reader an introduction into the rich application potential of NV centres and contextualize their benefits. The chapter 1 also summarizes the framework of the thesis, and it spells out the specific aims of the thesis. Chapter 2 provides a comprehensive description of the NV centre energy structure, as well as the principles of detection of magnetic resonance in diamond, utilizing both optical and photoelectric readout methods. The background knowledge, presented in Chapter 2, gives insights into more advanced approaches such as Continuous Wave (CW) vector magnetic field measurements and pulsed quantum protocols. Furthermore, it summarizes the magnetic field sensitivities of above-mentioned methods. Chapter 2 also briefly covers the material aspects of diamond and the NV centre engineering and explains lithography techniques needed for fabrication of diamond devices including readout electrodes and microwave antennas. Chapter 3 covers the experimental setup construction used for the ODMR and PDMR measurements. Also, the diamond device fabrication, entailing lithography patterning steps on diamond is described here. It provides a summary of the samples used within this work, as well as the methodology of lithography processes and device fabrication by using both optical lithography and e-beam lithography. Finally, it covers the laboratory measurement setups, their layout and key components, as well as a short description of the software and system automation. Next chapters ranging from chapter 4 up to chapter 7 are peer reviewed papers to which the author significantly contributed as main author or co-author. Chapter 4 covers the MW triggering detection method that has been developed and that is utilizing the lock-in readout. This methodology was developed within this thesis and was successfully patented [29] and published [3]. The benefit of this method for PDMR is an extraction of the effective portion of the NV electron spin signal, affected by the microwave field magnetic resonance driving, and which has a positive effect on the SNR of the signal. Chapter 5 covers the PDMR magnetic field detection sensitivity optimization and improvements by utilizing the yellow-green excitation and readout laser. Chapter 6 expands the PDMR application potential by exploiting the possibility of a microwave free readout method based on Ground State Level AntiCrossing (GSLAC) [30]. Chapter 7 covers the single pixel diamond magnetometer device developed within the student project OSCAR-QUBE, for the ISS onboard mission. And finally, Chapter 8 is the conclusion of the work done within this thesis and its future outlooks.

Het eerste deel van het proefschrift - hoofdstuk 1 - geeft de lezer een inleiding in het rijke toepassingspotentieel van NV-centra en contextualiseert hun voordelen. Hoofdstuk 1 vat ook het kader van het proefschrift samen en beschrijft de specifieke doelstellingen van het proefschrift. Hoofdstuk 2 geeft een uitgebreide beschrijving van de energiestructuur van NVcentra, alsmede de beginselen van de detectie van magnetische resonantie in diamant, waarbij gebruik wordt gemaakt van zowel optische als foto-elektrische uitleesmethoden. De achtergrondkennis, gepresenteerd in hoofdstuk 2, geeft inzicht in meer geavanceerde benaderingen zoals Continuous Wave (CW) vector magnetische veldmetingen en gepulseerde kwantumprotocollen. Voorts wordt een overzicht gegeven van de magneetveldgevoeligheid van bovengenoemde methoden. Hoofdstuk 2 behandelt ook kort de materiële aspecten van diamant en de NV-centrumtechniek en legt de lithografietechnieken uit die nodig zijn voor de fabricage van diamantapparaten, waaronder uitleeselektroden en microgolfantennes. Hoofdstuk 3 behandelt de experimentele opbouw van de ODMR- en PDMRmetingen. Ook de fabricage van diamantapparaten, waarbij lithografische patronen op diamant worden gemaakt, wordt hier beschreven. Het geeft een overzicht van de in dit werk gebruikte monsters, evenals de methodologie van de lithografieprocessen en de fabricage van het apparaat met behulp van zowel optische lithografie als e-beam-lithografie. Ten slotte worden de meetopstellingen in het laboratorium, de lay-out en de belangrijkste onderdelen ervan behandeld, evenals een korte beschrijving van de software en de systeemautomatisering. De volgende hoofdstukken, van hoofdstuk 4 tot en met hoofdstuk 7, zijn peer reviewed artikelen waaraan de auteur als hoofdauteur of co-auteur een belangrijke bijdrage heeft geleverd. Hoofdstuk 4 behandelt de ontwikkelde MWtriggerdetectiemethode die gebruik maakt van de lock-in uitlezing. Deze methode is binnen dit proefschrift ontwikkeld en met succes gepatenteerd [29] en gepubliceerd [3]. Het voordeel van deze methode voor PDMR is een extractie van het effectieve deel van het NV elektronenspinsignaal, dat wordt beïnvloed door de magnetische resonantiesturing met microgolfveld, en dat een positief effect heeft op de SNR van het signaal. Hoofdstuk 5 behandelt de optimalisering van de gevoeligheid van de PDMRmagneetvelddetectie en verbeteringen door gebruik te maken van de geelgroene excitatie- en uitleeslaser. Hoofdstuk 6 breidt het toepassingspotentieel van PDMR uit door gebruik te maken van de mogelijkheid van een microgolfvrije uitleesmethode op basis van Ground State Level AntiCrossing (GSLAC) [30]. Hoofdstuk 7 behandelt de diamantmagnetometer met één pixel, ontwikkeld binnen het studentenproject OSCAR-QUBE, voor de ISS-boordmissie. Hoofdstuk 8 tenslotte is de conclusie van het werk dat binnen dit proefschrift is verricht en de toekomstperspectieven.