Development of Integrated, LED-Based Quantum Sensors Based on NV-Centers in Diamond

Abstract

This dissertation presents the development and characterization of fully integrated quantum sensors based on nitrogen vacancy (NV) centers in diamond. While existing NV-based sensors are typically large and complex, this work focuses on miniaturizing the technology and demonstrating its application as a current sensor. The primary research question addressed is whether fully integrated NVbased quantum sensors with LED excitation can be realized with performance comparable to conventional sensor technologies. To this end, two sensor prototypes were developed: one as the smallest fully integrated NV quantum sensor with a complete electrical interface to date, achieving a sensitivity of 32 nT/ √ Hz; and another as the first NV-based sensor implemented on a flexible PCB, which is even smaller and achieves a sensitivity of 96 nT/ √ Hz. Thereby both sensors utilize randomly oriented diamond microcrystals. Methodologically, a novel procedure for determining the orientation of the diamond crystals was developed, allowing for effective signal extraction despite the random crystal orientation. Further, magnetic fields were simulated using COMSOL Multiphysics to investigate the feasibility of applying these sensors for current measurements. In this context, a new measurement concept for determining currents in segmented multi-wire cables of three-phase power grids was developed, demonstrating the potential of NV-based sensors in smart grid applications. The results indicate that these quantum sensors can be more easily integrated, even when diamonds are placed arbitrarily, thus paving the way for new applications in smart grid monitoring and other fields requiring compact, high-precision magnetic field sensors.

Esta disertación presenta el desarrollo y la caracterización de sensores cuánticos totalmente integrados basados en centros nitrógeno-vacante (NV) en diamante. Mientras que los sensores basados en NV existentes son típicamente grandes y complejos, este trabajo se centra en la miniaturización de la tecnología y en la demostración de su aplicación como sensor de corriente. La principal cuestión de investigación abordada es si los sensores cuánticos totalmente integrados basados en NV con excitación LED pueden ser realizados con un rendimiento comparable a las tecnologías de sensores convencionales. Con este fin, se desarrollaron dos prototipos de sensores: uno, como el sensor cuántico basado en NV totalmente integrado más pequeño hasta la fecha, con una interfaz eléctrica completa, logrando una sensibilidad de 32 nT/√Hz; y otro, como el primer sensor basado en NV implementado en una PCB flexible, que es aún más pequeño y alcanza una sensibilidad de 96 nT/√Hz. Ambos sensores utilizan microcristales de diamante orientados aleatoriamente. Metodológicamente, se desarrolló un procedimiento novedoso para determinar la orientación de los cristales de diamante, permitiendo una extracción efectiva de la señal a pesar de la orientación aleatoria de los cristales. Además, se simularon campos magnéticos utilizando COMSOL Multiphysics para investigar la viabilidad de aplicar estos sensores en mediciones de corriente. En este contexto, se desarrolló un nuevo concepto de medición para determinar corrientes en cables multicondutores segmentados de redes eléctricas trifásicas, demostrando el potencial de los sensores basados en NV en aplicaciones de redes inteligentes. Los resultados indican que estos sensores cuánticos pueden integrarse más fácilmente, incluso cuando los diamantes están dispuestos arbitrariamente, allanando así el camino para nuevas aplicaciones en la monitorización de redes inteligentes y otros campos que requieren sensores compactos de alta precisión para la detección de campos magnéticos.