Using nitrogen-vacancy center diamond as a quantum sensor for magnetic anomaly detection
Azot-boşluk merkezli kuantum elmas sensörler ile manyetik anomali tespiti
- Tez No: 953696
- Danışmanlar: PROF. DR. ALİ GELİR
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Fizik ve Fizik Mühendisliği, Physics and Physics Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2025
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Fizik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Fizik Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 93
Özet
Manyetik alandaki değişimleri hassas bir biçimde tespit edebilen manyetometreler, birçok kullanım alanına sahip olmakla birlikte; çözünürlük, taşınabilirlik, çevresel kararlılık ve farklı koşullara uygunluk açısından eksik yönleri bulunmaktadır. Kuantum sensörler bu noktada hali hazırdaki teknolojiyi kuantum fiziğinin klasik fizikte mümkün olmayan özellikleri ile harmanlayarak çok daha hassas, entegre edilebilir ve yeni uygulama alanlarında kullanılabilir potansiyel uygulamalarını içermektedir. Bu kuantum manyetometrelerden en önde gelenlerinden biri Azot-boşluk (NV) merkezli elmas manyetik sensörlerdir. Bu tez çalışması, elmas kristali içerisine yerleşen nitrojen-boşluğu (NV) merkezlerinin manyetik alan algılamadaki kuantum potansiyelini kullanarak, yeni nesil, hassas ve taşınabilir magnetometre sistemlerinin geliştirilmesini hedeflemektedir. Bu sistemin odaklandığı uygulama alanlarından biri, özellikle savunma teknolojileri için kritik öneme sahip olan manyetik anomali tespiti (MAD) dir. NV merkezlerinin mikrodalga kontrollü spin durumları ve optik olarak tespit edilebilen manyetik rezonans (ODMR) prensibi, çevresel manyetik alanların hassas bir şekilde izlenmesine olanak tanımaktadır. Tezin ilk bölümlerinde, NV merkezlerinin yapısı ve fiziksel prensipleri detaylandırılmıştır. NV merkezi, elmas kristal kafesinde bir karbon atomunun yerine geçen azot atomu ile ona komşu bir boşluktan oluşan noktasal bir kusurdur. Bu kusur, tek başına sıradan bir yapısal eksiklik gibi görünse de, kuantum teknolojileri açısından önemli özellikler barındırır. NV merkezinin elektronları, taban durumda spin-1 triplet konfigürasyonu oluşturur. Bu yapı sayesinde, dış manyetik alan etki etmiyorken bile, ms=0 ile ms=±1 spin alt seviyeleri arasında 2.87 GHz civarında bir enerji farkı oluşur. Bu fark, sıfır alan ayrışması (zero-field splitting) olarak adlandırılır ve spin-spin etkileşimlerinden kaynaklanır. Sistem bu yönüyle, oda sıcaklığında dahi mikrodalga (MW) frekanslarında hassas kontrol edilebilen bir kuantum sensör görevi görür. NV merkezlerinin ayırt edici bir diğer özelliği de optik olarak hazırlanabilir ve okunabilir olmalarıdır. 532 nm dalga boyundaki bir yeşil lazerle uyarıldıklarında, ms =0 durumunda yüksek, ms=±1 durumlarında ise düşük floresans sinyali yayarlar. Bu fark, ODMR sinyallerinin temelini oluşturur. Ayrıca, NV merkezleri mikrosaniyeler mertebesinde uzun eşevrelilik sürelerine sahiptir; yani spin durumları çevresel gürültülere karşı oldukça dirençlidir. Bu kararlılık, NV merkezlerini yalnızca temel bilimsel deneylerde değil, uzun süreli ve taşınabilir ölçüm sistemlerinde de kullanıma uygun hâle getirir. Tekil bir kusurun bir kuantum sistem gibi davranabilmesi, NV merkezlerini hem teorik hem de uygulamalı fizik açısından son derece kıymetli bir araştırma nesnesi hâline getirir. Bu tezde, ODMR spectrum sinyallerinin toplandığı ve analiz edildiği sistem, manyetik anomali tespiti için optimize edilmiştir. Kurulan deneysel düzeneğin temelini, NV merkezlerinin optik olarak uyarılması ve yayılan floresans sinyalinin tespit edilmesi oluşturur. Bu süreçte 532 nm dalga boyuna sahip bir yeşil DPSS lazer kullanılmış ve bu ışık doğrudan elmas örnek üzerine yönlendirilmiştir. NV merkezleri bu uyarı sonucunda karakteristik kırmızı floresans yaymıştır. Uyarım ve algılama için aynı optik yolun kullanıldığı düzende, uyarıcı lazer ışığını ve yayılan floresansı birbirinden ayırmak amacıyla dikroik ayna kullanılmıştır. Bu ayna, 532 nm dalga boyunu yüksek oranda yansıtarak elmasa yönlendirmiş, aynı zamanda NV merkezlerinden gelen daha uzun dalga boylu floresans ışığını geçirerek dedektör hattına iletmiştir. Toplanan floresans sinyali bir fotodetektör yardımıyla elektriksel sinyale dönüştürülmüş ve osiloskop üzerinde gözlemlenmiştir. Sistemin optik kararlılığı, lazer ışınının örnek yüzeyine uygun açıda ve sabit bir noktaya odaklanmasını gerektirmiştir. Bu nedenle, optik bileşenlerin hizalanması ve çevresel mekanik etkilere karşı korunması deneyin her aşamasında hassasiyetle sağlanmıştır. Uyarım şiddeti, hizalama doğruluğu ve floresans toplama verimi gibi parametreler optimize edilerek, ODMR sinyallerinin kararlı ve tekrar edilebilir biçimde elde edilmesi mümkün kılınmıştır. NV merkezlerinin mikrodalga kontrollü spin geçişlerini gerçekleştirmek için sistemde mikrodalga sinyalleri uygulanmış ve bu sinyallerin örnek ile etkin şekilde etkileşebilmesi amacıyla bir RF anten kullanılmıştır. Bu anten, mikrodalga sinyalinin elmas içindeki NV merkezlerine yeterli alan şiddetiyle homojen bir biçimde ulaşmasını sağlamış ve ODMR sinyallerinin gözlemlenmesini mümkün kılmıştır. Sistemin ilk aşamalarında, piyasada hazır olarak bulunan mikrodalga sinyal jeneratörleri kullanılmış; daha kompakt bir yapı elde edebilmek amacıyla ilerleyen süreçte gerilim kontrollü osilatör (VCO) tabanlı bir çözüm geliştirilmiştir. Mikrodalga sinyali, seçilen frekans aralığında tarama yapacak şekilde ayarlanmış ve bu sinyal doğrudan RF antene iletilerek NV merkezlerinin spin durumları arasında geçişler indüklenmiştir. Ancak, el yapımı sarımlı tel anten yapılarının NV merkezleriyle olan etkileşimi belirli konumlarla sınırlı kaldığından, sistem performansını artırmak amacıyla mikroşerit anten tasarımlarına geçiş yapılmıştır. Bu mikroşerit antenler, NV merkezlerinin rezonans frekansı olan 2.87 GHz çevresine duyarlı olacak şekilde optimize edilmiştir. Böylece mikrodalga alanın örnek yüzeyine daha homojen dağılması sağlanmış, aynı zamanda daha kompakt ve entegre edilebilir bir sistem mimarisi oluşturulmuştur. Antenlerin üretimi ve karakterizasyonu BİLGEM ATAM tarafından gerçekleştirilmiş, sistemin genel kararlılığına ve duyarlılığına doğrudan katkı sağlanmıştır. Sistem hem fiziksel bir koşulu simüle etmek hem de daha sistematik bir ölçüm sağlamak amacıyla farklı manyetik alan üreteçleri ile test edilmiştir. İlki için sabit neodimyum mıknatıslar, kontrollü alan için Helmholtz bobinleri kullanılmıştır. Helmholtz bobinleri, NV merkezleri üzerinde düzenli ve ayarlanabilir manyetik alan oluşturarak ODMR sinyallerinde rezonans frekanslarının kontrollü şekilde değiştirilmesine olanak sağlamıştır. Sistemin doğrulama ölçümleri, bir fluxgate magnetometre ile yapılmış ve NV tabanlı ölçümlerin kararlılığı gözlemlenmiştir. Elde edilen floresans sinyali, mikrodalga frekans süpürmesi sırasında zamanla değişen bir voltaj çıktısı olarak gözlemlenmiştir. Ancak bu ham sinyal, ortam gürültüsü ve elektronik parazitler nedeniyle doğrudan anlamlı bir ODMR spektrumu sunmamaktadır. Bu nedenle, spektrumun netliğini artırmak ve dip konumlarının daha sağlıklı şekilde tespit edilebilmesini sağlamak amacıyla çeşitli sinyal işleme tekniklerinden yararlanılmıştır. İlk olarak, spektrum üzerindeki kısa ölçekli gürültüleri bastırmak amacıyla Savitzky-Golay filtresi uygulanmıştır. Bu filtre, sinyali yerel polinomlarla yumuşatarak diplerin şekil ve konum bilgisini korurken yüksek frekanslı parazitleri azaltmıştır. Buna ek olarak, spektrum üzerinde genel eğilimleri daha belirgin hâle getirmek için hareketli ortalama (moving average) yöntemiyle ikinci bir filtreleme uygulanmıştır. Filtreleme sonrasında elde edilen sinyal, ODMR diplerinin doğru şekilde modellenebilmesi için çift Lorentzian fonksiyonu ile eğrilere oturtulmuştur. Bu modelleme, özellikle birbirine yakın rezonans diplerinin ayırt edilmesini kolaylaştırmış ve rezonans frekanslarının daha hassas biçimde tespit edilmesini sağlamıştır. Diplerin merkez frekansı, kontrastı ve hat genişliği gibi parametreler, sistemin hassasiyetini belirleyen temel bileşenler olarak değerlendirilmiştir. Bu analizler sonucunda, kurulan sistemin birkaç nanotesla (nT/√Hz) seviyesinde bir hassasiyet sunduğu gösterilmiştir. Uygulanan sinyal işleme yöntemleri, sistemin ölçüm kararlılığını artırmakla kalmamış, aynı zamanda uzun süreli veri toplama süreçlerinde karşılaşılabilecek sinyal bozulmalarını da minimize etmiştir. Savunma uygulamaları açısından NV tabanlı sistemler, özellikle GPS olmayan ortamlarda yön tespiti (INS desteği) ve denizaltıların yaydığı manyetik izlerin dünyanın manyetik alanında oluşturduğu değişmin tespiti gibi kritik senaryolarda kullanılabilir. Bu çalışmanın sonunda sunulan laboratuvar prototipi, gelecekte taşınabilir ve kompakt hale getirilerek potansiyel dron, kara aracı ya da sabit gözetim sistemlerine entegre edilebilir. Aynı zamanda, bu sistemlerin kuantum hesaplama alanında bit olarak kullanılması açısından, ek olarak biyomedikal alanlarda, örneğin beyin aktivitesinin haritalanması veya manyetik nanoparçacık tespiti gibi alanlarda da kullanılabilirliği araştırmalara açıktır. Deneysel sürecin her aşamasında, literatürde detaylı biçimde ele alınmayan çeşitli zorluklarla karşılaştık. Bunların başında, lazerin hem fiziksel konumunun hem de sıcaklık koşullarının kararlı bir şekilde korunması gerekliliği yer almaktadır. Lazerin çok küçük bir sapmayla yer değiştirmesi bile, elmas üzerindeki uyarım noktasını değiştirerek alınan floresans sinyalinin gücünü ve kararlılığını doğrudan etkiledi. Özellikle uzun süreli ölçümlerde, çevresel sıcaklık dalgalanmalarının lazer gücü ve yönelimi üzerinde yarattığı etkileri dikkatle izlemek zorunda kaldık. Buna ek olarak, anten tasarımının değiştirilmesi veya farklı bir optik elemanın eklenmesi gibi sisteme yeni bir bileşen entegre edilmek istendiğinde yalnızca fiziksel yerleşim değil, tüm optik yolun ve zaman zaman ölçüm cihazlarını da yeniden kalibre etmemiz gerekti. Bu kalibrasyon süreci, deneyin sürekliliğini korumak açısından oldukça zaman alıcı ve dikkat gerektiren bir aşamadır. Ayrıca, sistemdeki her bir bileşene yeterli güç sağlamak amacıyla farklı gerilim ve akım kaynaklarının kullanılması gerekti; bu da elektriksel düzenin güvenli ve dengeli bir biçimde yönetilmesini zorunlu kıldı. Deneyin kritik bir diğer noktası ise, geleneksel ODMR yöntemleri yerine lock-in amplifikatör ile tespit yönteminin tercih edilmesi ve entegre edilmesi idi. Bu yöntem, sistemin kompaktlığı ve dış etkenlere karşı dayanıklılığı açısından avantaj sunsa da, aynı zamanda ölçüm parametrelerinin daha hassas ayarlanmasını ve sinyal işleme zincirinin farklı koşullara göre yeniden yapılandırılmasını gerektirdi. Tüm bu zorluklara rağmen, sistem bileşenleri arasında sağlanan bütünlük ve dikkatli deneysel planlama sayesinde kararlı, tekrar edilebilir ve optimize edilmiş ODMR ölçümlerini elde edebildik. Sonuç olarak, bu tez NV merkezlerinin sadece temel bilimsel araştırma ve deneylerinden ziyade, daha endüstriyel ve askeri uygulamalar için de uygulanabilir bir halde ve pratik sensör sistemlerinin temeli olabileceği potansiyeline vurgu yapmaktadır. Sistem stabilitesi, veri işleme kabiliyeti ve alan uygulaması için gereken özelliklerin bu tezin her aşamasında dikkate alındığı bu çalışmanın gelecekteki NV merkezli sensörlerin ürün odaklı geliştirilmesine yön vermesi amaçlanmaktadır. Ayrıca, ileri seviye uygulamalar için çok yönlü vektör manyetometre, hiperince etkileşimlerin analizi ve tek NV spin merkezli nano-görüntüleme tekniklerinin entegrasyonu, bu sistemin çok daha geniş bir bilimsel ve teknolojik yelpazede kullanımına olanak sağlayacaktır.
Özet (Çeviri)
The application of nitrogen-vacancy (NV) centers in diamond as a quantum-based technique for magnetic anomaly detection is examined in this thesis. Because of their exceptional quantum characteristics, NV centers can detect magnetic fields at room temperature. Because of their stable solid-state structure, high-resolution measurements can be made without the use of cryogenic equipment. The motivation behind this work comes from practical challenges in fields such as defense, geophysics, and biomedical sensing where detecting weak or hidden magnetic signals is crucial. Traditional magnetometers, such as SQUIDs or optically pumped systems (OPM) are sensitive but often require complex infrastructure. In contrast, NV-based sensors offer a more compact and portable solution, which was a key consideration in this study. In this work, we combined both theoretical concepts and hands-on lab experiments to explore the behavior of NV centers. The theoretical part covers how NV centers respond to external magnetic fields through the principles of zero-field splitting and the Zeeman effect. These physical topics form the foundation of the optically detected magnetic resonance (ODMR) technique, which is central to this study. On the experimental side, a complete NV magnetometry system was developed. It includes a green DPSS laser for excitation, optics to gather fluorescence from the diamond, and microwave components for spin manipulation. Lock-in amplification and digital filters were integrated into setup to reduce noise and improve signal clarity. Comparisons between two diamond samples: one is form a local company, Appsilon, and the other from Element Six to investigate how much material quality affects performance. During the experiments, we have come across several challenges that are not mentioned in the literature. Some of them include maintaining a stable laser in terms of both physical and temperature conditions. Also another challenge was integrating new component to the experimental setup, as it would require recalibration of each optical elements and sometimes the measurement devices. Even supplying a sufficient power to each component is requiring various methods. In addition, Choosing the lock-in amplifier detection method over previous ODMR methods comes with a great number of new considerations such as compactness and system robustness. Both static and adjustable magnetic fields were applied using permanent magnets and Helmholtz coils. Measurements were validated with a fluxgate magnetometer. ODMR spectra under various conditions helped to observe the system's response and also verify its sensitivity. One of the notable contributions of this study is focused on real-world applications, particularly in defense. We aimed to make the system as compact and adaptable as possible, especially considering future defense-related field uses with potential use cases including GPS-independent navigation and underwater vehicle detection. The work also opens possibilities for integrating NV-based sensors into other platforms, such as drones or mobile vehicles. In conclusion, this research demonstrates how NV diamond magnetometers can be developed from theory into functional magnetometers. While there are still technical challenges in terms of system stability, the potential applications are still worth working in this area. Future work could explore pulsed ODMR techniques, vector field depended magnetic sensing, and also single-NV applications for nanoscale precision.
Benzer Tezler
- Quantum metrology for biological systems
Biyolojik sistemler için kuantum metroloji
LEA GASSAB
Doktora
İngilizce
2024
BiyofizikKoç ÜniversitesiFizik Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ÖZGÜR ESAT MÜSTECAPLIOĞLU
- Generation of quantum emitters by introducing color centers inside diamond
Elmas içerisinde renk merkezleri oluşturularak kuantum emiterlerin üretilmesi
SEVİL BERRAK IRMAK ŞENTÜRK
Yüksek Lisans
İngilizce
2025
Fizik ve Fizik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMalzeme Bilimi ve Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. ONUR ERGEN
- Elastic light scattering of silicon and diamond microspheres excited by femtosecond laser written glass and diamond waveguides
Femtosaniye lazer ile yazılmış sığ optik cam ve elmas dalgakılavuzlarına bağlaştırılmış silisyum ve elmas mikroyuvarların esnek saçılması
NURPERİ YAVUZ
Yüksek Lisans
İngilizce
2018
Fizik ve Fizik MühendisliğiKoç ÜniversitesiOptoelektronik ve Fotonik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ALİ SERPENGÜZEL
- Çeşitli kaolin yüzeyleri üzerinde adsorplanmış amonyak ve piridin türleri
Ammonia and pyridne species adsorbed on various kaolinite species
AHMET TABAK
- Nanoscale magnetometry with single fluorescent nanodiamonds manipulated in an anti-Brownian electrokinetic trap
Başlık çevirisi yok
METİN KAYCI
Doktora
İngilizce
2016
BiyolojiEcole Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL)Prof. ALEKSANDRA RADENOVIC
