Rapid and high-sensitive NV-based microwave field imaging via digital lock-in amplification for on-chip microstrip diagnostics

In de onzichtbare wereld van moderne elektronica dragen radiogolven en microgolven de gegevens die onze telefoons, het internet en de sensoren in onze auto's aandrijven. Deze signalen reizen door minuscule circuits die op siliciumchips zijn geëtst en bewegen met ongelooflijke snelheden. Maar naarmate deze apparaten kleiner en complexer worden, staan ingenieurs voor een moeilijk probleem: hoe zie je wat er binnenin een circuit gebeurt zonder het aan te raken of het te verstoren? Traditionele instrumenten hebben vaak moeite om dicht genoeg bij de fijne details te komen, of ze verstoren de delicate signalen die ze juist proberen te meten. Om dit op te lossen, hebben wetenschappers zich tot een uniek materiaal gewend: diamant. In een diamant zitten kleine imperfecties die stikstof-vacaturecentra worden genoemd. Dit zijn plekken waar een koolstofatoom ontbreeft en is vervangen door een stikstofatoom, wat een defect creëert dat fungeert als een microscopische sensor. Wanneer ze worden geraakt door een groene laser, gloeien deze defecten op met rood licht. Cruciaal is dat de helderheid van deze gloed verandert afhankelijk van de sterkte van de magnetische velden om hen heen. Dit stelt onderzoekers in staat om de diamant te gebruiken als een camera die magnetische velden met extreme precisie kan "zien", terwijl de diamant veilig bovenop het elektronische apparaat ligt.

Een team van onderzoekers heeft deze diamant-sensortechnologie nu gecombineerd met een slimme signaalverwerkingstechniek om een nieuwe manier te creëren om deze onzichtbare velden in beeld te brengen. Hun doel was om een grote flessenhals te overwinnen die eerdere pogingen heeft vertraagd: de ruis. In een typisch experiment worden de zwakke veranderingen in licht veroorzaakt door de magnetische velden vaak overstemd door het flikkeren van de laser of de elektronische ruis van de camera. Om dit op te lossen, ontwikkelden de onderzoekers een systeem dat gebruikmaakt van een methode genaamd digitale lock-in versterking. Stel je voor dat je probeert een specifiek gesprek te horen in een drukke, lawaaierige kamer. Als je precies weet wanneer de persoon naar wie je luistert zal spreken, kun je je oor afstemmen op dat specifieke ritme en de rest van het geklets negeren. De onderzoekers deden iets soortgelijks met licht. Ze namen het microgolfsignaal dat ze wilden meten en voegden een zachte, ritmische trilling toe aan de frequentie. Wanneer dit wobbelerende signaal interactie had met de diamant-sensoren, zorgde dit ervoor dat de rode gloed pulseerde in perfecte synchronisatie met dat ritme. Door een aangepast computerprogramma te gebruiken dat alleen zocht naar licht dat met exact die snelheid pulseerde, konden ze alle willekeurige achtergrondruis wegfilteren. Dit stelde hen in staat om een duidelijk signaal te extraheren uit een enkele opname, in plaats van dat ze duizenden foto's moesten maken en deze samen gemiddeld moesten nemen.

Het resultaat is een systeem dat aanzienlijk sneller en gevoeliger is dan wat eraan voorafging. De onderzoekers bouwden een microscoopopstelling waarbij een dunne plak diamant direct bovenop een microstripcircuit zit, een veelvoorkomend type minuscule antenne die in de elektronica wordt gebruikt. Ze schijnen een groene laser door de diamant om de sensoren te exciteren, en een hogesnelheidscamera legde het resulterende rode licht vast. Omdat hun digitale lock-in systeem het signaal zo effectief kon isoleren, bereikten ze een magnetische veldsensitiviteit van 126 nanotesla per wortel van hertz. Belangrijker nog, deze snelheid stelde hen in staat om in slechts enkele seconden een volledige afbeelding van het magnetische veld vast te leggen. Eerdere methoden die vergelijkbare diamant-sensoren gebruikten, duurden vaak minuten of zelfs uren om een duidelijk beeld op te bouwen omdat ze moesten wachten tot de ruis gemiddeld was. Met deze nieuwe aanpak kon het team de magnetische velden in realtime observeren. Ze demonstreerden dit door de magnetische velden boven een werkende microstriplijn in beeld te brengen, waarbij ze lieten zien hoe de veldsterkte veranderde naarmate ze het vermogen van het microgolfsignaal verhoogden. Ze testten ook een andere methode waarbij ze een hornantenne gebruikten om het microgolfsignaal vanaf een afstand op het circuit uit te zenden, waarmee werd bewezen dat het systeem werkt, zelfs zonder directe elektrische verbindingen.

Om te bewijzen dat hun beelden nauwkeurig waren, vergeleken het team hun experimentele foto's met computersimulaties van dezelfde circuits. De patronen kwamen nauw overeen, wat bevestigde dat de diamant-sensoren het magnetische landschap correct in kaart brachten. Ze pushten het systeem ook om op verschillende frequenties te werken, specifiek 2,73 gigahertz en 3,0 gigahertz, door een klein magnetisch veld aan de diamant toe te passen om de gevoeligheid af te stemmen. De beelden toonden duidelijk aan dat het systeem de velden op deze verschillende frequenties kon detecteren, hoewel het signaal op de ene frequentie sterker was dan op de andere. Ten slotte testten ze de praktische waarde van dit hulpmiddel door te zoeken naar defecten in een echte radiofrequentie-schakelaar. Ze krasten opzettelijk een deel van het circuit om een breuk in de lijn te creëren, wat de magnetische stroom door dat punt zou stoppen. Wanneer ze het apparaat in beeld brachten, verscheen het gebroken gebied als een donkere leegte waar het magnetische signaal verdween, terwijl de gezonde delen helder oplichtten. Dit toonde aan dat de techniek defecten in elektronische componenten onmiddellijk kan opsporen zonder ze te beschadigen. De onderzoekers bereikten een ruimtelijke resolutie van 1,6 micrometer, wat betekent dat ze details konden zien die kleiner zijn dan de breedte van een menselijke haar, terwijl ze de hele chip in enkele seconden scanden. Dit werk vestigt een krachtig nieuw instrument voor ingenieurs, dat een manier biedt om in de onzichtbare wereld van hoogwaardige elektronica te kijken met een helderheid en snelheid die voorheen onbereikbaar was.