Quantum sensors based on nitrogen-vacancy (NV) centers in diamond are expected to demonstrate a wide variety of applications. For high-sensitivity quantum sensors with NV center ensembles, uniform manipulation of the electron spins of the NV centers in large volumes is required. In addition, a broad microwave frequency bandwidth for manipulating the NV centers' electron spin is necessary for vector magnetometry and measurement under a finite static magnetic field. Here, we demonstrate a broadband microwave antenna for uniform manipulation of millimeter-scale volumes of diamond quantum sensors. The simulation shows that the current is distributed at both edges of the loop coil of a single copper plate due to the skin effect. The loop coil acts like a Helmholtz coil, which realizes uniformity in the z-direction of the microwave magnetic field (B1). The plate structure has a higher mechanical stability, durability, and a larger heat capacity than the Helmholtz coil, due to its large volume. The antenna achieves a higher performance than previously reported antennae, with a maximal B1 of 4.5 G, a broad bandwidth of 287 ± 6 MHz, and a peak-to-peak variation of 9.2% over a 3.1 mm3 cylinder volume. These performances show that the presented antenna is suitable for manipulating solid-state spin ensembles for high-sensitivity quantum sensors.

1.
G.
Balasubramanian
,
P.
Neumann
,
D.
Twitchen
,
M.
Markham
,
R.
Kolesov
,
N.
Mizuochi
,
J.
Isoya
,
J.
Achard
,
J.
Beck
,
J.
Tissler
,
V.
Jacques
,
F.
Jelezko
, and
J.
Wrachtrup
,
Nat. Mater.
8
,
383
(
2009
).
2.
N.
Bar-Gill
,
L. M.
Pham
,
A.
Jarmola
,
D.
Budker
, and
R. L.
Walsworth
, “
Solid-state electronic spin coherence time approaching one second
,”
Nat. Commun.
4
,
1743
(
2013
).
3.
E. D.
Herbschleb
,
H.
Kato
,
Y.
Maruyama
,
T.
Danjo
,
T.
Makino
,
S.
Yamasaki
,
I.
Ohki
,
K.
Hayashi
,
H.
Morishita
,
M.
Fujiwara
, and
N.
Mizuochi
,
Nat. Commun.
10
,
3766
(
2019
).
4.
M. W.
Doherty
,
N. B.
Manson
,
P.
Delaney
,
F.
Jelezko
,
J.
Wrachtrup
, and
L. C. L.
Hollenberg
,
Phys. Rep.
528
,
1
(
2013
).
5.
G.
Kucsko
,
P. C.
Maurer
,
N. Y.
Yao
,
M.
Kubo
,
H. J.
Noh
,
P. K.
Lo
,
H.
Park
, and
M. D.
Lukin
,
Nature
500
,
54
(
2013
).
6.
T.
Wolf
,
P.
Neumann
,
K.
Nakamura
,
H.
Sumiya
,
T.
Ohshima
,
J.
Isoya
, and
J.
Wrachtrup
,
Phys. Rev. X
5
,
041001
(
2015
).
7.
H.
Clevenson
,
M. E.
Trusheim
,
C.
Teale
,
T.
Schröder
,
D.
Braje
, and
D.
Englund
,
Nat. Phys.
11
,
393
(
2015
).
8.
C.
Zhang
,
F.
Shagieva
,
M.
Widmann
,
M.
Kübler
,
V.
Vorobyov
,
P.
Kapitanova
,
E.
Nenasheva
,
R.
Corkill
,
O.
Rhrle
,
K.
Nakamura
,
H.
Sumiya
,
S.
Onoda
,
J.
Isoya
, and
J.
Wrachtrup
,
Phys. Rev. Appl.
15
,
064075
(
2021
).
9.
J. F.
Barry
,
M. J.
Turner
,
J. M.
Schloss
,
D. R.
Glenn
,
Y.
Song
,
M. D.
Lukin
,
H.
Park
, and
R. L.
Walsworth
,
Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A.
113
,
14133
(
2016
).
10.
E. D.
Herbschleb
,
H.
Kato
,
T.
Makino
,
S.
Yamasaki
, and
N.
Mizuochi
,
Nat. Commun.
12
,
306
(
2021
).
11.
K.
Arai
,
A.
Kuwahata
,
D.
Nishitani
,
I.
Fujisaki
,
R.
Matsuki
,
Z.
Xin
,
Y.
Nishio
,
X.
Cao
,
Y.
Hatano
,
S.
Onoda
,
C.
Shinei
,
M.
Miyakawa
,
T.
Taniguchi
,
M.
Yamazaki
,
T.
Teraji
,
T.
Ohshima
,
M.
Hatano
,
M.
Sekino
, and
T.
Iwasaki
, arXiv:2105.11676.
12.
H.
Morishita
,
S.
Kobayashi
,
M.
Fujiwara
,
H.
Kato
,
T.
Makino
,
S.
Yamasaki
, and
N.
Mizuochi
,
Sci. Rep.
10
,
792
(
2020
).
13.
K.
Hayashi
,
Y.
Matsuzaki
,
T.
Taniguchi
,
T.
Shimo-Oka
,
I.
Nakamura
,
S.
Onoda
,
T.
Ohshima
,
H.
Morishita
,
M.
Fujiwara
,
S.
Saito
, and
N.
Mizuochi
,
Phys. Rev. Appl.
10
,
034009
(
2018
).
14.
F.
Dolde
,
H.
Fedder
,
M. W.
Doherty
,
T.
Nobauer
,
F.
Rempp
,
G.
Balasubramanian
,
T.
Wolf
,
F.
Reinhard
,
L. C. L.
Hollenberg
,
F.
Jelezko
, and
J.
Wrachtrup
,
Nat. Phys.
7
,
459
463
(
2011
).
15.
P.
Jamonneau
,
M.
Lesik
,
J. P.
Tetienne
,
I.
Alvizu
,
L.
Mayer
,
A.
Dréau
,
S.
Kosen
,
J.-F.
Roch
,
S.
Pezzagna
,
J.
Meijer
,
T.
Teraji
,
Y.
Kubo
,
P.
Bertet
,
J. R.
Maze
, and
V.
Jacques
,
Phys. Rev. B
93
,
024305
(
2016
).
16.
S.
Kobayashi
,
Y.
Matsuzaki
,
H.
Morishita
,
S.
Miwa
,
Y.
Suzuki
,
M.
Fujiwara
, and
N.
Mizuochi
,
Phys. Rev. Appl.
14
,
044033
(
2020
).
17.
M. W.
Doherty
,
V. V.
Struzhkin
,
D. A.
Simpson
,
L. P.
Mcguinness
,
Y.
Meng
,
A.
Stacey
,
T. J.
Karle
,
R. J.
Hemley
,
N. B.
Manson
,
L. C. L.
Hollenberg
, and
S.
Prawer
,
Phys. Rev. Lett.
112
,
047601
(
2014
).
18.
J. M.
Taylor
,
P.
Cappellaro
,
L.
Childress
,
L.
Jiang
,
D.
Budker
,
P. R.
Hemmer
,
A.
Yacoby
,
R.
Walsworth
, and
M. D.
Lukin
,
Nat. Phys.
4
,
810
(
2008
).
19.
M.
Chipaux
,
A.
Tallaire
,
J.
Achard
,
S.
Pezzagna
,
J.
Meijer
,
V.
Jacques
,
J.-F.
Roch
, and
T.
Debuisschert
,
Eur. Phys. J. D
69
,
166
(
2015
).
20.
J. M.
Schloss
,
J. F.
Barry
,
M. J.
Turner
, and
R. L.
Walsworth
,
Phys. Rev. Appl.
10
,
34044
(
2018
).
21.
M.
Mŕozek
,
J.
Mlynarczyk
,
D. S.
Rudnicki
, and
W.
Gawlik
,
Appl. Phys. Lett.
107
,
013505
(
2015
).
22.
N.
Zhang
,
C.
Zhang
,
L.
Xu
,
M.
Ding
,
W.
Quan
,
Z.
Tang
, and
H.
Yuan
,
Appl. Magn. Reson.
47
,
589
(
2016
).
23.
P.
Andrich
,
C. F.
de las Casas
,
X.
Liu
,
H. L.
Bretscher
,
J. R.
Berman
,
F. J.
Heremans
,
P. F.
Nealey
, and
D. D.
Awschalom
,
Npj Quantum Inf.
3
,
28
(
2017
).
24.
X.
Yang
,
N.
Zhang
,
H.
Yuan
,
C.
Bian
,
P.
Fan
, and
M.
Li
,
AIP Adv.
9
,
075213
(
2019
).
25.
Y.
Masuyama
,
K.
Mizuno
,
H.
Ozawa
,
H.
Ishiwata
,
Y.
Hatano
,
T.
Ohshima
,
T.
Iwasaki
, and
M.
Hatano
,
Rev. Sci. Instrum.
89
,
125007
(
2018
).
26.
C.
Zhang
,
H.
Yuan
,
N.
Zhang
,
L.
Xu
,
J.
Zhang
,
B.
Li
, and
J.
Fang
,
J. Phys. D: Appl. Phys.
51
,
155102
(
2018
).
27.
W.
Jia
,
Z.
Shi
,
X.
Qin
,
X.
Rong
, and
J.
Du
,
Rev. Sci. Instrum.
89
,
064705
(
2018
).
28.
K.
Bayat
,
J.
Choy
,
M.
Farrokh Baroughi
,
S.
Meesala
, and
M.
Loncar
,
Nano Lett.
14
,
1208
(
2014
).
29.
F. M.
Stürner
,
A.
Brenneis
,
T.
Buck
,
J.
Kassel
,
R.
Rölver
,
T.
Fuchs
,
A.
Savitsky
,
D.
Suter
,
J.
Grimmel
,
S.
Hengesbach
,
M.
Förtsch
,
K.
Nakamura
,
H.
Sumiya
,
S.
Onoda
,
J.
Isoya
, and
F.
Jelezko
,
Adv. Quantum Technol.
4
,
2000111
(
2021
).
30.
V. R.
Horowitz
,
B. J.
Alemán
,
D. J.
Christle
,
A. N.
Cleland
, and
D. D.
Awschalom
,
Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A.
109
,
13493
(
2012
).
31.
D. A.
Simpson
,
R. G.
Ryan
,
L. T.
Hall
,
E.
Panchenko
,
S. C.
Drew
,
S.
Petrou
,
P. S.
Donnelly
,
P.
Mulvaney
, and
L. C. L.
Hollenberg
,
Nat. Commun.
8
,
458
(
2017
).
32.
A.
Horsley
,
P.
Appel
,
J.
Wolters
,
J.
Achard
,
A.
Tallaire
,
P.
Maletinsky
, and
P.
Treutlein
,
Phys. Rev. Appl.
10
,
44039
(
2018
).
33.
O. R.
Opaluch
,
N.
Oshnik
,
R.
Nelz
, and
E.
Neu
,
Nanomaterials
11
,
2108
(
2021
).
34.
K.
Sasaki
,
Y.
Monnai
,
S.
Saijo
,
R.
Fujita
,
H.
Watanabe
,
J.
Ishi-Hayase
,
K. M.
Itoh
, and
E.
Abe
,
Rev. Sci. Instrum.
87
,
053904
(
2016
).
35.
J.
Herrmann
,
M. A.
Appleton
,
K.
Sasaki
,
Y.
Monnai
,
T.
Teraji
,
K. M.
Itoh
, and
E.
Abe
,
Appl. Phys. Lett.
109
,
183111
(
2016
).
36.
B. C.
Rose
,
A. M.
Tyryshkin
,
H.
Riemann
,
N. V.
Abrosimov
,
P.
Becker
,
H.-J.
Pohl
,
M. L. W.
Thewalt
,
K. M.
Itoh
, and
S. A.
Lyon
,
Phys. Rev. X
7
,
031002
(
2017
).
37.
J. M.
Le Floch
,
N.
Delhote
,
M.
Aubourg
,
V.
Madrangeas
,
D.
Cros
,
S.
Castelletto
, and
M. E.
Tobar
,
J. Appl. Phys.
119
,
153901
(
2016
).
38.
D. R.
Eisenach
,
J. F.
Barry
,
L. M.
Pham
,
R. G.
Rojas
,
D. R.
Englund
, and
D. A.
Braje
,
Rev. Sci. Instrum.
89
,
094705
(
2018
).
39.
P.
Kapitanova
,
V.
Soshenko
,
V.
Vorobyov
,
D.
Dobrykh
,
S.
Bolshedvorskiih
,
V.
Sorokin
, and
A.
Akimov
,
AIP Conf. Proc.
1874
,
030017
(
2017
).
40.
J. D.
Breeze
,
J.
Sathian
,
E.
Salvadori
,
N. M.
Alford
, and
C. W. M.
Kay
,
Nature
555
,
493
(
2018
).
41.
P.
Kapitanova
,
V. V.
Soshenko
,
V. V.
Vorobyov
,
D.
Dobrykh
,
S. V.
Bolshedvorskii
,
V. N.
Sorokin
, and
A. V.
Akimov
,
JETP Lett.
108
,
588
(
2018
).
42.
V.
Yaroshenko
,
V.
Soshenko
,
V.
Vorobyov
,
S.
Bolshedvorskii
,
E.
Nenasheva
,
I.
Kotel’nikov
,
A.
Akimov
, and
P.
Kapitanova
,
Rev. Sci. Instrum.
91
,
035003
(
2020
).
43.
A.
Angerer
,
T.
Astner
,
D.
Wirtitsch
,
H.
Sumiya
,
S.
Onoda
,
J.
Isoya
,
S.
Putz
, and
J.
Majer
,
Appl. Phys. Lett.
109
,
033508
(
2016
).
44.
Y.
Chen
,
H.
Guo
,
W.
Li
,
D.
Wu
,
Q.
Zhu
,
B.
Zhao
,
L.
Wang
,
Y.
Zhang
,
R.
Zhao
,
W.
Liu
,
F.
Du
,
J.
Tang
, and
J.
Liu
,
Appl. Phys. Express
11
,
123001
(
2018
).
45.
P.
Neumann
,
I.
Jakobi
,
F.
Dolde
,
C.
Burk
,
R.
Reuter
,
G.
Waldherr
,
J.
Honert
,
T.
Wolf
,
A.
Brunner
,
J. H.
Shim
,
D.
Suter
,
H.
Sumiya
,
J.
Isoya
, and
J.
Wrachtrup
,
Nano Lett.
13
,
2738
(
2013
).
46.
H. J.
Mamin
,
M. H.
Sherwood
,
M.
Kim
,
C. T.
Rettner
,
K.
Ohno
,
D. D.
Awschalom
, and
D.
Rugar
,
Phys. Rev. Lett.
113
,
030803
(
2014
).
47.
K.
Yahata
,
Y.
Matsuzaki
,
S.
Saito
,
H.
Watanabe
, and
J.
Ishi-Hayase
,
Appl. Phys. Lett.
114
,
022404
(
2019
).
48.
Z.
Kazi
,
I. M.
Shelby
,
H.
Watanabe
,
K. M.
Itoh
,
V.
Shutthanandan
,
P. A.
Wiggins
, and
K. C.
Fu
,
Phys. Rev. Appl.
15
,
054032
(
2021
).
49.
P.
Silvester
,
Proc. IEEE
54
,
1147
(
1966
).
You do not currently have access to this content.