Rapid and highly sensitive wide-field quantum microwave imaging via pixel-wise digital lock-in detection

Moderne elektronica krimpen en versnellen, waardoor radiofrequentie- en microgolfcircuits worden gedreven om op frequenties en vermogensniveaus te werken die ooit onvoorstelbaar waren. Naarmate deze minuscule apparaten complexer worden, staan ingenieurs voor een kritieke uitdaging: hoe kunnen ze zien wat er binnenin gebeurt zonder ze aan te raken of te beschadigen? Traditionele instrumenten hebben vaak moeite om een duidelijk beeld te geven van de magnetische velden die deze circuits aansturen, vooral wanneer die velden zwak zijn of verborgen liggen onder lagen ruis. Om dit op te lossen, hebben wetenschappers zich gericht op een unieke eigenschap van diamanten. Binnen een diamant fungeren specifieke imperfecties, genaamd stikstof-vacaturecentra, als uiterst gevoelige magnetische sensoren. Dit zijn niet de imperfecties die een edelsteen minder waardevol maken, maar eerder atomaire defecten waar een stikstofatoom naast een ontbrekend koolstofatoom zit. Wanneer ze worden geraakt door een groene laser, gloeien deze defecten met rood licht, en de helderheid van die gloed verandert afhankelijk van de sterkte van het omringende magnetische veld. Dit stelt onderzoekers in staat om magnetische velden met extreme precisie in kaart te brengen, maar jarenlang was het proces pijnlijk traag. Het signaal is vaak zo zwak dat het verloren gaat in de achtergrondstatiek van de laser en de camera, waardoor wetenschappers gedwongen worden om duizenden foto's te maken en deze samen te middelen, een proces dat uren kan duren en het onmogelijk maakt om snelle elektronische signalen in realtime te observeren.

Een team van onderzoekers aan het Beijing Institute of Technology heeft nu een manier ontwikkeld om deze snelheidsbarrière te doorbreken, met een systeem dat de mogelijkheid heeft om microgolfmagnetische velden over een groot gebied in slechts enkele seconden in kaart te brengen. In plaats van te proberen de ruis over een lange periode uit te middelen, introduceerden zij een techniek die werkt als een zeer selectief filter, dat alleen luistert naar het specifieke ritme van het signaal waar ze naar op zoek zijn. Ze bereikten dit door de frequentie van het microgolfsignaal dat ze in het te testen apparaat stuurden, licht te laten trillen. Deze trilling, of modulatie, zorgt ervoor dat het rode licht van de diamant sensoren in perfecte synchronisatie pulseert met de microgolffrequentie. De onderzoekers gebruikten vervolgens een op maat gemaakt digitaal programma om de videofeed van hun camera pixel voor pixel te scannen, waarbij ze alleen zochten naar dat specifieke pulserende ritme. Door alles te negeren dat niet aan dit ritme voldeed — zoals willekeurige fluctuaties in de laser of elektronische ruis — konden ze het ware signaal bijna onmiddellijk uit de chaos trekken. Deze methode, bekend als digitale lock-in detectie, stelde hen in staat om heldere beelden van magnetische velden vast te legg程度 met een gevoeligheid van 126 nanotesla per vierkants wortel uit hertz, een niveau van precisie dat voorheen onbereikbaar was bij zulke hoge snelheden.

De resultaten van deze nieuwe aanpak zijn opmerkelijk. Het team demonstreerde dat hun systeem in staat is om in enkele seconden een volledig, hoogwaardig beeld van een microgolfveldverdeling te produceren, een dramatische verbetering ten opzichte van de minuten of uren die voorheen nodig waren. Ze testten dit op microstriplijnen, wat minuscule koperbanen zijn die worden gebruikt om microgolfsignalen op printplaten te geleiden. In één experiment voedden ze een signaal rechtstreeks in de lijn en keken ze hoe de magnetische veldkaart op hun scherm verscheen. In een ander experiment gebruikten ze een hoornantenne om microgolven op een passief circuit te stralen, waarmee werd aangetoond dat het systeem ook kan werken zonder een directe elektrische verbinding. De beelden onthulden het magnetische veld met een ruimtelijke resolutie van 1,6 micrometer, scherp genoeg om details te zien die kleiner zijn dan een menselijke haar. Om de betrouwbaarheid van hun metingen te bewijzen, vergeleken de onderzoekers hun experimentele beelden met computermodellen van dezelfde circuits. De twee kwamen bijna perfect overeen, wat bevestigde dat de nieuwe techniek niet alleen snel, maar ook accuraat was.

Buiten het simpelweg in kaart brengen van velden, toonde het team aan hoe deze snelheid en gevoeligheid gebruikt kunnen worden om defecten in real-world elektronica te vinden. Ze namen een commerciële radiofrequentie-schakelaar en beschadigden doelbewust een sectie van de elektronica door het oppervlak te krassen om een breuk te creëren. Wanneer ze het apparaat in beeld brachten, vertoonden de gezonde delen van het circuit een duidelijk magnetisch signaal, terwijl het beschadigde gebied er volledig donker uitzag, wat aangaf dat het magnetische pad was onderbroken. Dit vermogen om direct te visualiseren waar een signaal stroomt en waar het stopt, biedt een krachtig nieuw hulpmiddel voor het diagnosticeren van problemen in geavanceerde elektronica. De onderzoekers verkenden ook de grenzen van hun systeem door het te testen op verschillende frequenties, waarbij ze lieten zien dat het velden kon detecteren bij 2,73 gigahertz en 3,0 gigahertz, wat de veelzijdigheid ervan bewees over een reeks operationele condities. Door de natuurlijke gevoeligheid van diamant sensoren te combineren met een slimme digitale filtertechniek, opent dit werk de deur naar het observeren van de onzichtbare magnetische krachten binnen onze snelste elektronica terwijl ze gebeuren, waardoor een traag, statisch proces wordt veranderd in een snelle, dynamische kijk op de verborgen circuits van de moderne wereld.