Nitrogen vacancy center defects in diamond. Sensor characterization and magnetic field imaging

Nitrogen-Vacancy (NV) centers in diamond are an important type of colour defects present in the crystalline structure of diamond; they naturally exist in small quantities, but their concentration can be increased to create diamond crystals that can be applied in many quantum technologies fields. NV centers are nowadays mainly studied for their promising applications in the quantum information area, as quantum-bits, and in the biomedical or electronical fields as high-resolution and high-sensitivity magnetic field sensors. Magnetic field sensors can be created exploiting either single NV centers or an ensemble of them; in the first case the resulting sensors are better suited for NMR measurements and similar sensing applications, where the spatial resolution is a fundamental parameter, while, in case of ensemble sensors, they are mainly employed to generate magnetic field detection with high sensitivity and current density mappings. This work will be focused on this last area of research and, in particular, it will be divided in two main parts: one dealing with the characterization of NV center-based sensors, and the other one more concentrated on the development of a magnetic field mapping system. After an introductory chapter on the NV centers physics (Chapter 1), the main possible applications of the NV centers in different areas will be presented (Chapter 2), in order to give a complete outlook of the context where this work have been conceived. The approaches and methods that we follow during our experimental work are then illustrated (Chapter 3), with a particular attention to the description of the concepts that have been adopted. The actual setup used in this work will be then introduced; they are two, one based on a confocal-microscope and a single point acquisition method (Chapter 4), through which the characterization of the sensor under analysis is possible, and the other one, based on a wide-field microscope (Chapter 5), through which it is possible to realize a magnetic field mapping on each point of the sensor at the same moment. In both the two setup a green laser (532nm) is exploited to bring NV-centers spins into the excited states and, then, during their relaxation process, their photoluminescence is analysed to retrieve information on the perturbation present in the environment surrounding them at the measurement moment. On top of that, coherent manipulation of spin states, achieved through a micro-wave (MW) signal impinging on the sensors, is exploited in order to perform the different types of optically detected magnetic resonance (ODMR) measurements reported in this thesis. In the characterization part, the sensitivity results obtained after several measurements performed on the sensors are thus presented; in particular, a continuous wave electron spin resonance (CW-ESR), a Rabi oscillation and a spin echo measurement are performed on each tested sensor, to retrieve its final magnetic field sensitivity. In the mapping section, instead, a CW-ODMR procedure is exploited in order to sense the presence of constant magnetic fields and map their intensity in the proximity of the sensor. Moreover, a first attempt of mapping the current density in a copper wire (placed in proximity of the sensor) is reported. Finally, the work ends with some final considerations on the obtained results and on the possible future developments and applications of this research project.

I Nitrogen-Vacancy (NV) centers nel diamante sono un importante tipo di impurità (detta “colour”) presente nella struttura cristallina del diamante; questi esistono naturalmente solo in piccole quantità, ma la loro concentrazione può essere accresciuta per creare cristalli di diamante largamente utilizzati in molti campi di tecnologia quantistica. Gli NV centers, al giorno d’oggi, sono principalmente studiati per le loro promettenti applicazioni nell’area dell’informazione quantistica, come quantum-bits, e nei campi biomedici o elettronici come sensori di campi magnetici ad elevate risoluzione e sensitività. Tali sensori di campo magnetico possono essere creati sfruttando sia i singoli NV centers, sia un loro ensemble; nel primo caso i sensori risultanti si adattano meglio per misure NMR e per simili applicazioni di sensoristica, in cui la risoluzione spaziale costituisce un parametro fondamentale, mentre, nel caso di sensori di ensemble, essi sono maggiormente impiegati per rivelare campi magnetici con elevata sensitività e immagini di densità di corrente. Il seguente lavoro sarà focalizzato proprio su quest’ultima area di ricerca e, in particolare, sarà suddiviso in due parti principali: la prima che tratterà la caratterizzazione dei sensori basati sugli NV centers, ed una seconda che sarà più incentrata sullo sviluppo di un sistema per immagini di campo magnetico. Dopo un capitolo introduttivo sulla fisica degli NV centers (Capitolo 1), saranno presentate the principali possibili applicazioni degli NV centers in diversi settori (Capitolo 2), in modo da fornire una completa visione del contesto in cui questa tesi è stata concepita. Saranno poi illustrati gli approcci ed i metodi che sono stati seguiti nel corso del nostro lavoro sperimentale (Capitolo 3), con una particolare attenzione alla descrizione delle assunzioni e dei concetti che sono stati adottati. I due apparati sperimentali utilizzati in questo lavoro verranno poi introdotti: uno basato su un microscopio confocale e su un metodo di acquisizione puntuale (Capitolo 4), attraverso il quale è possibile una caratterizzazione del sensore in analisi, e un altro basato su un microscopio a largo campo (Capitolo 5), attraverso il quale è possibile realizzare un’immagine di campo magnetico su ogni punto del sensore allo stesso momento. In entrambi i due apparati è stato utilizzato un laser verde (di lunghezza d’onda 532nm) per portare gli spin degli NV centers nei livelli eccitati, e poi, durante il processo di rilassamento, analizzare la fotoluminescenza per ricavare informazioni sulla perturbazione presente nell’ambiente circostante ai sensori durante l’istante di misurazione. Oltre a questo, una manipolazione coerente degli stati di spin, ottenuti attraverso un segnale di microonde (MW) che arriva sul sensore, viene sfruttato per realizzare diversi tipi di misure di risonanza magnetica rivelata otticamente (ODMR) riportate nella seguente tesi. Nella parte di caratterizzazione sono così presentati i risultati di sensitività ottenuti dopo diverse misure realizzate sui sensori; in particolare, una risonanza di spin dell’elettrone tramite onda continua (CW-ESR), una misurazione di oscillazione di Rabi e una misura di spin echo sono state realizzate su ogni sensore testato, per ottenere il valore finale di sensitività del campo magnetico. Nella sezione di immagine, invece, è stata sfruttata una procedura di CW-ODMR per rilevare la presenza di campi magnetici costanti e per mappare la loro intensità in prossimità del sensore. Inoltre, verrà riportato un primo tentativo di mappare la densità di corrente in un filo di rame (posizionato vicino al sensore). Infine, il lavoro si conclude con delle considerazioni finali circa i risultati ottenuti e sui futuri sviluppi ed applicazioni di questo progetto di ricerca (Capitolo 6).