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https://repositorio.ufpe.br/handle/123456789/38924
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Campo DC | Valor | Lengua/Idioma |
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dc.contributor.advisor | MENEZES, Leonardo de Souza | - |
dc.contributor.author | SÁNCHEZ, Edwin Danelli Coronel | - |
dc.date.accessioned | 2020-12-15T14:31:59Z | - |
dc.date.available | 2020-12-15T14:31:59Z | - |
dc.date.issued | 2020-05-22 | - |
dc.identifier.citation | SÁNCHEZ, Edwin Danelli Coronel. Nanoscale magnetometry with a microcontroller-based magnetometer using a single nitrogen-vacancy defect in nanodiamond. 2020. Tese (Doutorado em Física) – Universidade Federal de Pernambuco. Recife, 2020. | pt_BR |
dc.identifier.uri | https://repositorio.ufpe.br/handle/123456789/38924 | - |
dc.description.abstract | In the last few years, the study of the negatively charged nitrogen-vacancy (NV−) defect in diamond has increased in many areas of science because of its interesting optical and spin properties, such as high photostability and possibility of performing coherent control of their spin states even under ambient conditions. This makes the NV− defect attractive for the development of diverse application areas such as nanomagnetometry, quantum information processing and nanobiothermometry, as well as for the development of new applications in the spintronic area and quantum technology. The NV− defect is a solid-state system that presents extraordinary sensitivity to magnetic fields and allows sensing schemes with high spatial resolution. Moreover, its paramagnetic triplet ground state evidences predominantly spin-spin interaction that splits the spin projection mgs = 0 from the degenerate state mgs = ±1 by Dgs = 2.87 GHz. With the action of an external local magnetic field the degeneracy is lifted by Zeeman effect and the energy levels splitting is proportional to the projection of magnetic field along to the defect symmetry axis, to which the magnetic dipole moment of the NV− center is parallel. This particular characteristics, together with its nanometric scale, allows building nanomagnetometers that work simply by probing the electronic ground state by Optically Detected Magnetic Resonance (ODMR). In the present work, an ODMR−based system for performing nanomagnetometry was developed using an Arduino Due board microcontroller as a main tool for the magnetometer implementation by means of an established in-system programming. The implemented nanomagnetometry method is simple and relies on the frequency modulation of the NV−defect electron spin resonance (ESR). This is done by introducing in the system an alternated magnetic field produced by also alternated current square pulses that passes through a wire loop located in the vicinity of the nanodiamond. An important fact is that the method uses a single microwaves source to excite spin transitions. The alternating magnetic field produced by the switching of an electric current modulates the NV− ESR central frequency at a conveniently chosen frequency. Since an in-system programming is established, it is possible compute a differential photon counting technique in phase with the modulated field obtaining a signed error signal. The microcontroller is responsible both for controlling the modulated field through the current pulse and for calculating the error signal. The resulting imbalance in photon counts is then used to detect the Zeeman shift in the ESR central frequency applying an ODMR approach. The developed system has a reasonable sensitivity of 4 µT/√Hz and is able to measure magnetic field variations at a rate of around 4 mT/s. This system was used for nanoimaging the inhomogeneous spatial magnetic field profile of a magnetized steel microwire, and a spatial magnetic field gradient of 13 µT/63 nm was measured. Besides, its usefulness in nanoscale imaging of magnetic fields, the present work can be of interest in development of compact nanodiamond based magnetometer. | pt_BR |
dc.description.sponsorship | CNPq | pt_BR |
dc.language.iso | eng | pt_BR |
dc.publisher | Universidade Federal de Pernambuco | pt_BR |
dc.rights | openAccess | pt_BR |
dc.rights | Attribution-NonCommercial-NoDerivs 3.0 Brazil | * |
dc.rights.uri | http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/br/ | * |
dc.subject | Microscopia óptica confocal | pt_BR |
dc.subject | Nanodiamante | pt_BR |
dc.subject | Fotoluminescência | pt_BR |
dc.subject | Ressonância de espin eletrônico | pt_BR |
dc.title | Nanoscale magnetometry with a microcontroller-based magnetometer using a single nitrogen-vacancy defect in nanodiamond | pt_BR |
dc.type | doctoralThesis | pt_BR |
dc.contributor.authorLattes | http://lattes.cnpq.br/5058697129820873 | pt_BR |
dc.publisher.initials | UFPE | pt_BR |
dc.publisher.country | Brasil | pt_BR |
dc.degree.level | doutorado | pt_BR |
dc.contributor.advisorLattes | http://lattes.cnpq.br/0574758575822571 | pt_BR |
dc.publisher.program | Programa de Pos Graduacao em Fisica | pt_BR |
dc.description.abstractx | Nos últimos anos, o estudo dos defeitos do nitrogênio-vacância negativamente carregados (NV− ) em diamante tem aumentado em muitas áreas da ciência devido às suas interessantes propriedades ópticas de spin, assim como a alta fotoestabilidade e possibilidade de controle coerente de seus estados de spin mesmo em condições ambientes. Essas características tornam o defeito de NV− atraente em diversas áreas da aplicação, como a magnetometria, processamento de informação quântica e nanobiotermometria, como também para o desenvolvimento de novas aplicações nas áreas da spintrônica e tecnologia quântica. O NV− é um sistema de estado sólido com sensibilidade extraordinária a campos magnéticos e permite esquemas de detecção com alta resolução espacial. Além disso, seu estado fundamental tripleto de spin, paramagnético, evidencia predominantemente a interação spin-spin que separa a projeção de spin 𝑚𝑔𝑠 = 0 do estado degenerado 𝑚𝑔𝑠 = ±1 em 𝐷𝑔𝑠 = 2.87 𝐺𝐻𝑧. Com a interação de um campo magnético local externo, a degenerescência é quebrada por efeito Zeeman e a amplitude do splitting é proporcional à projeção do campo magnético ao longo do eixo de simetria do defeito NV−, que é paralelo ao seu momento de dipolo mágnetico permanete. Esta particular característica, junto com a sua escala nanométrica, permite construir magnetômetros operando a partir da simples sondagem do estado fundamental eletrônico usando a técnica de ressonância magnética detectada opticamente (sigla em inglês: ODMR). No presente trabalho, um sistema baseado em ODMR foi desenvolvido para construção de um magnetômetro apresentando resolução espacial nanométrica, que usa o microcontrolador da placa Arduino Due como a principal ferramenta para a implementação. O método escolhido para nanomagnetometria é simples e depende da frequência de modulação da ressonância magnética do spin eletrônico do defeito NV−. Isso é feito introduzindo no sistema um campo magnético alternado, gerado por pulsos quadrados também alternados de corrente que percorrem uma pequena espira nas proximidades do nanodiamante. O campo magnético alternado produzido pela comutação de uma corrente elétrica modula a frequência central da RSE numa frequência convenientemente escolhida. Mediante uma programação é possível calcular uma contagem diferencial de fótons em fase com o campo modulado obtendo um sinal de erro. O microcontrolador é responsável tanto pelo controle do campo modulado por meio do pulso da corrente quanto pelo cálculo do sinal de erro. O desbalanço resultante nas contagens dos fótons é usado para detetar o deslocamento Zeeman da frequência central da RSE do NV−, aplicando a abordagem de ODMR. O sistema desenvolvido tem uma sensibilidade razoável de 4𝜇𝑇/√𝐻𝑧 e é capaz de medir variaçoes de campo magnético a uma taxa cerca de 4 𝑚𝑇/𝑠. Este sistema foi utilizado para obter uma nanoimagem do perfil do campo magnético não homogêneo de um microfio de aço magnetizado, tendo sido medido um gradiente especial de campo magnético de 13 𝜇𝑇/63 𝑛𝑚. Além da utilidade nas imagens em nanoescala de campos magnéticos, o presente trabalho pode ser de interesse no desenvolvimento de magnetômetros compactos baseados em nanodiamantes. | pt_BR |
Aparece en las colecciones: | Teses de Doutorado - Física |
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