光探测磁共振 (ODMR)

图1. 脉冲光探测磁共振（ODMR）实验装置示意图。该装置包括由声光调制器（AOM）调制并与射频（RF）脉冲同步的激光源，这些射频脉冲经模拟调制后通过天线传输。样品的光致发光（Photoluminescence,PL）根据信号强度，由单光子探测器或光电二极管探测。Pulse Streamer 8/2可实现射频脉冲的精确时序控制、同步及调控，因此可实现先进的ODMR实验。
图1. 脉冲光探测磁共振（ODMR）实验装置示意图。该装置包括由声光调制器（AOM）调制并与射频（RF）脉冲同步的激光源，这些射频脉冲经模拟调制后通过天线传输。样品的光致发光（Photoluminescence,PL）根据信号强度，由单光子探测器或光电二极管探测。Pulse Streamer 8/2可实现射频脉冲的精确时序控制、同步及调控，因此可实现先进的ODMR实验。

引言

什么是光学检测磁共振

光探测磁共振（ODMR）是一种广泛应用于量子传感、磁场测量及材料分析领域的强大技术。通过耦合光信号与微波信号，ODMR可实现原子尺度缺陷自旋特性的研究，例如金刚石中的氮-空位（NV）中心或其它固态材料中的缺陷，使其在量子计算至生物成像等多个领域具有极为宝贵的价值。

该技术利用特定量子系统的自旋依赖荧光特性作为其环境的灵敏探针。近期的研究已将 ODMR的应用平台拓展至金刚石 NV 中心之外的多种体系，如碳化硅（SiC）缺陷 1 和六方氮化硼（hBN）缺陷 2。这些系统拓宽了应用范围，涵盖超高保真度射频传感、二维材料中的核自旋极化与调控等。

包括Rabi振荡、Ramsey干涉和Hahn回波在内的关键实验序列通过揭示量子态的相干性、相互作用及衰减动力学，提升了脉冲ODMR的性能。例如，这些脉冲序列可实现单电荷动力学的实时监测 3 ，以及纳米尺度的全向磁场成像 4。这种多功能性使ODMR成为下一代量子传感的核心技术，可实现亚纳米空间分辨率和纳秒时间分辨率。

在生物系统中，ODMR已展现出通过温度变化测量探测复杂环境的潜力，例如神经元活动 5等，这一能力为细胞水平的无创成像和诊断开辟了广阔的前景。此外，商用碳化硅（SiC）中铬离子自旋态的高保真度调控 6，证明了ODMR在工业和技术应用中的强大适应性。

这些技术为研究纳米尺度下自旋态与局部磁环境、电环境及热环境的相互作用提供了有力的支持，助力研究人员突破量子计算、材料表征和高分辨率成像的边界。此外，ODMR的持续创新亦有望在基础科学和实用技术领域解锁新应用，使其成为现代量子研究的必备工具。

实验需求

定时电子设备在ODMR中的作用

ODMR实验需实现激光激发、微波调制与光子探测的精准时序同步，以准确捕捉量子自旋态与其环境间的相互作用。Swabian Instruments - 施瓦本仪器的 Pulse Streamer 8/2与Time Tagger提供了一体化解决方案，既简化了以往复杂的同步装置，又确保了实验的高保真度。

Pulse Streamer 8/2与Time Tagger通过协同设计以实现功能，其中，Pulse Streamer 8/2生成精准、可编程的数字和模拟脉冲，驱动所需的光学及微波序列，从而实现从自旋初始化到读出整个实验过程的每一步同步；Time Tagger以皮秒级精度捕捉光子到达时间，采集高精度时间分辨数据，实现自旋态分析。

挑战

ODMR的常见挑战

  • 设备的精准同步： ODMR实验要求激光激发、微波脉冲与光子探测设备之间保持精确时序。这些设备必须完美同步才能操控并观测量子自旋态，因此，微小的时间偏差也会导致数据不准确。在传统装置中，每个设备需单独的定时硬件，难以实现所需的协同时序精度。
  • 脉冲序列的灵活调控： ODMR应用通常需要复杂的脉冲序列，且不同实验阶段的脉冲时序“和”、“或”时长存在差异。若负责时序控制的实验装置无法灵活便捷地编程脉冲参数，那么适配不同序列将面临挑战，尤其是实验方案频繁修改的研究。
  • 数据采集与滤波： ODMR实验会产生大量的光子到达数据，研究人员需要高效的方法对这些数据进行捕捉、时间标记和滤波，从而从背景噪声中提取有效信号。经典的数据采集系统缺乏实时滤波和选通所需的高分辨率与灵活性，无法适配量子实验。

解决方案

Swabian Instruments - 施瓦本仪器的Time Tagger 与 Pulse Streamer 的核心优势

Pulse Streamer 8/2的先进实验控制能力：

Swabian Instruments - 施瓦本仪器的 Pulse Streamer 8/2专为高要求控制任务设计，可提供同步的数字与模拟脉冲生成功能。用户可上传自定义时序序列，以驱动光学脉冲、微波脉冲、选通信号及同步信号。该设备配备两个存储插槽，支持在运行当前序列的同时上传新序列；其拥有直观的使用界面，能够轻松完成复杂脉冲时序序列的搭建，是ODMR及其它需精准实验控制的量子应用场景中的必备工具。

控制与采集一体化实验解决方案：

Swabian Instruments - 施瓦本仪器同时提供用于数据采集的Time Tagger和用于实验控制的Pulse Streamer 8/2，为脉冲ODMR实验提供了统一来源的一体化解决方案。两款设备经协同设计，可无缝兼容，用户能享受简化集成、统一技术支持及高效工作流程的优势，获得在高要求实验环境中实现稳定、可复现结果所需的全部功能。

含专属 ODMR 教程的全面技术文档

Swabian Instruments - 施瓦本仪器为Time Tagger 和Pulse Streamer提供了详细、全面的技术文档，包括脉冲ODMR实验实施的专属教程。分步指南、序列示例及应用笔记使设备配置与集成过程简单、直观，能够确保先进实验的顺畅运行，缩短搭建时间。

兼容主流编程环境，集成灵活：

Swabian Instruments - 施瓦本仪器支持多种主流编程环境，包括Python, MATLAB, and LabVIEW、C++等，用户可在偏好的平台上开展工作。配套的编程库支持自定义代码编写与自动化控制，助力用户无需学习新编程语言即可操控复杂实验装置。

无与伦比的脉冲时间精度：

Swabian Instruments - 施瓦本仪器的Time Tagger具备皮秒级精度的高分辨率时序测量能力，这是ODMR实验的核心需求。该精度一方面确保光子探测时序的一致性，另一方面可实现脉冲间隔的精准调控，从而以高保真度捕捉量子态、自旋跃迁或磁场变化中的细微动态。

用户案例

应用笔记

Time-Correlated Single-Photon Counting (TCSPC) with Single Quantum EOS SNSPD System

TCSPC_Swabian_Instruments.pdf

Optically Detected Magnetic Resonance (ODMR)

Quantum_spin_probe_Swabian_Instruments.pdf

Testimonials

Customer success stories

Brandon Ginkemeyer, Harvard

I really like the Swabian Instrument’s usability and reliability. A senior student in my neighboring group said that the Time Tagger is his favorite instrument.

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Dr. Ted S. Santana, NPL

My experience with the Swabian Time Tagger has been excellent. It is a truly plug-and-play device with intuitive and user-friendly software.

Read the full interview
Sapienza Universita di Roma University of Bristol Massachusetts Institute of Technology

News

ODMR.png

New Application Note: Optically Detected Magnetic Resonance: Quantum Spin Probe of Single Charge Dynamics

At Swabian Instruments, we’re excited to announce a new application note in collaboration with the Awschalom Group at the University of Chicago - “Optically Detected Magnetic Resonance Quantum Spin Probe of Single Charge Dynamics.” This collaborative work showcases the power of advanced quantum measurement techniques using our Pulse Streamer 8/2 and Time Tagger 20.

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Pulse-Streamer.png

Continuous Streaming with Firmware v2.0.0 Beta2 for Pulse Streamer 8/2

At Swabian Instruments, innovation never stops. We’re excited to share the preliminary release of firmware v2.0.0 Beta2 for the Pulse Streamer 8/2, setting the stage for a new feature — continuous streaming.

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参考文献

  1. J. Zhengzhi, et al. “Quantum sensing of radio‐frequency signal with NV centers in SiC.” Sci. Adv. 9, 2080 (2023) ↩︎

  2. X. Gao, et al. “Nuclear spin polarization and control in hexagonal boron nitride.” Nat. Mater. 21, 1024 (2022) ↩︎

  3. J.C. Marcks, et al. “Quantum spin probe of single charge dynamics.” Phys. Rev. Lett. 133, 130802 (2024) ↩︎

  4. X. Gao, et al. “Nanotube spin defects for omnidirectional magnetic field sensing.” Nat. Commun. 15, 7697 (2024) ↩︎

  5. G. Petrini, et al. “Nanodiamond–quantum sensors reveal temperature variation associated to hippocampal neurons firing.” Adv. Sci. 9, 2202014 (2022) ↩︎

  6. B. Diler, et al. “Coherent control and high‐fidelity readout of chromium ions in commercial silicon carbide.” Npj Quantum Inf. 6, 11 (2020) ↩︎

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