Wide-field imaging of magnetic signals using ensembles of nitrogen-vacancy (NV) centers in diamond has garnered increasing interest due to its combination of micron-scale resolution, millimeter-scale field of view, and compatibility with diverse samples from across the physical and life sciences. Recently, wide-field NV magnetic imaging based on the Ramsey protocol has achieved uniform and enhanced sensitivity compared to conventional measurements. Here, we integrate the Ramsey-based protocol with spin-bath driving to extend the NV spin dephasing time and improve magnetic sensitivity. We also employ a high-speed camera to enable dynamic wide-field magnetic imaging. We benchmark the utility of this quantum diamond microscope (QDM) by imaging magnetic fields produced from a fabricated wire phantom. Over a 270 × 270 μm2 field of view, a median per-pixel magnetic sensitivity of 4.1 ( 1 ) nT / Hz is realized with a spatial resolution  10 μm and sub-millisecond temporal resolution. Importantly, the spatial magnetic noise floor can be reduced to the picotesla scale by time-averaging and signal modulation, which enables imaging of a magnetic-field pattern with a peak-to-peak amplitude difference of about 300 pT. Finally, we discuss potential new applications of this dynamic QDM in studying biomineralization and electrically active cells.

1.
E. V.
Levine
,
M. J.
Turner
,
P.
Kehayias
,
C. A.
Hart
,
N.
Langellier
,
R.
Trubko
,
D. R.
Glenn
,
R. R.
Fu
, and
R. L.
Walsworth
,
Nanophotonics
8
,
1945
(
2019
).
2.
J. F.
Barry
,
J. M.
Schloss
,
E.
Bauch
,
M. J.
Turner
,
C. A.
Hart
,
L. M.
Pham
, and
R. L.
Walsworth
,
Rev. Mod. Phys.
92
,
015004
(
2020
).
3.
N.
Aslam
,
H.
Zhou
,
E. K.
Urbach
,
M. J.
Turner
,
R. L.
Walsworth
,
M. D.
Lukin
, and
H.
Park
,
Nat. Rev. Phys.
5
,
157
(
2023
).
4.
D. R.
Glenn
,
R. R.
Fu
,
P.
Kehayias
,
D.
Le Sage
,
E. A.
Lima
,
B. P.
Weiss
, and
R. L.
Walsworth
,
Geochem. Geophys. Geosyst.
18
,
3254
(
2017
).
5.
M. J.
Ku
,
T. X.
Zhou
,
Q.
Li
,
Y. J.
Shin
,
J. K.
Shi
,
C.
Burch
,
L. E.
Anderson
,
A. T.
Pierce
,
Y.
Xie
et al,
Nature
583
,
537
(
2020
).
6.
M. J.
Turner
,
N.
Langellier
,
R.
Bainbridge
,
D.
Walters
,
S.
Meesala
,
T. M.
Babinec
,
P.
Kehayias
,
A.
Yacoby
,
E.
Hu
et al,
Phys. Rev. Appl
14
,
014097
(
2020
).
7.
D.
Le Sage
,
K.
Arai
,
D. R.
Glenn
,
S. J.
DeVience
,
L. M.
Pham
,
L.
Rahn-Lee
,
M. D.
Lukin
,
A.
Yacoby
,
A.
Komeili
et al,
Nature
496
,
486
(
2013
).
8.
I.
Fescenko
,
A.
Laraoui
,
J.
Smits
,
N.
Mosavian
,
P.
Kehayias
,
J.
Seto
,
L.
Bougas
,
A.
Jarmola
, and
V. M.
Acosta
,
Phys. Rev. Appl.
11
,
034029
(
2019
).
9.
R. W.
de Gille
,
J. M.
McCoey
,
L. T.
Hall
,
J.-P.
Tetienne
,
E. P.
Malkemper
,
D. A.
Keays
,
L. C.
Hollenberg
, and
D. A.
Simpson
,
Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A.
118
,
e2112749118
(
2021
).
10.
H. C.
Davis
,
P.
Ramesh
,
A.
Bhatnagar
,
A.
Lee-Gosselin
,
J. F.
Barry
,
D. R.
Glenn
,
R. L.
Walsworth
, and
M. G.
Shapiro
,
Nat. Commun.
9
,
131
(
2018
).
11.
Z.
Kazi
,
I. M.
Shelby
,
H.
Watanabe
,
K. M.
Itoh
,
V.
Shutthanandan
,
P. A.
Wiggins
, and
K.-M. C.
Fu
,
Phys. Rev. Appl.
15
,
054032
(
2021
).
12.
D. R.
Glenn
,
K.
Lee
,
H.
Park
,
R.
Weissleder
,
A.
Yacoby
,
M. D.
Lukin
,
H.
Lee
,
R. L.
Walsworth
, and
C. B.
Connolly
,
Nat. Methods
12
,
736
(
2015
).
13.
J. M.
McCoey
,
M.
Matsuoka
,
R. W.
de Gille
,
L. T.
Hall
,
J. A.
Shaw
,
J.-P.
Tetienne
,
D.
Kisailus
,
L. C.
Hollenberg
, and
D. A.
Simpson
,
Small Methods
4
,
1900754
(
2020
).
14.
L.
Troise
,
N. W.
Hansen
,
C.
Olsson
,
J. L.
Webb
,
L.
Tomasevic
,
J.
Achard
,
O.
Brinza
,
R.
Staacke
,
M.
Kieschnick
et al,
AVS Quantum Sci.
4
,
044402
(
2022
).
15.
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
).
16.
K.
Arai
,
A.
Kuwahata
,
D.
Nishitani
,
I.
Fujisaki
,
R.
Matsuki
,
Y.
Nishio
,
Z.
Xin
,
X.
Cao
,
Y.
Hatano
et al,
Commun. Phys.
5
,
200
(
2022
).
17.
C. A.
Hart
,
J. M.
Schloss
,
M. J.
Turner
,
P. J.
Scheidegger
,
E.
Bauch
, and
R. L.
Walsworth
,
Phys. Rev. Appl.
15
,
044020
(
2021
).
18.
M. J.
Turner
, “
Quantum diamond microscopes for biological systems and integrated circuits
,” Ph.D. thesis (
Harvard University
,
2020
).
19.
J. M.
Schloss
, “
Optimizing nitrogen-vacancy diamond magnetic sensors and imagers for broadband sensitivity
,” Ph.D. thesis (
Massachusetts Institute of Technology
,
2019
).
20.
E.
Bauch
,
C. A.
Hart
,
J. M.
Schloss
,
M. J.
Turner
,
J. F.
Barry
,
P.
Kehayias
,
S.
Singh
, and
R. L.
Walsworth
,
Phys. Rev. X
8
,
031025
(
2018
).
21.
A.
Buades
,
B.
Coll
, and
J.-M.
Morel
,
Image Process. Line
1
,
208
(
2011
).
22.
F.
Sigmund
,
C.
Massner
,
P.
Erdmann
,
A.
Stelzl
,
H.
Rolbieski
,
M.
Desai
,
S.
Bricault
,
T. P.
Wörner
,
J.
Snijder
et al,
Nat. Commun.
9
,
1990
(
2018
).
23.
C. E.
Diebel
,
R.
Proksch
,
C. R.
Green
,
P.
Neilson
, and
M. M.
Walker
,
Nature
406
,
299
(
2000
).
24.
S. H.
Eder
,
H.
Cadiou
,
A.
Muhamad
,
P. A.
McNaughton
,
J. L.
Kirschvink
, and
M.
Winklhofer
,
Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A.
109
,
12022
(
2012
).
25.
N. B.
Edelman
,
T.
Fritz
,
S.
Nimpf
,
P.
Pichler
,
M.
Lauwers
,
R. W.
Hickman
,
A.
Papadaki-Anastasopoulou
,
L.
Ushakova
,
T.
Heuser
et al,
Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A.
112
,
262
(
2015
).
26.
M. W.
Doherty
,
N. B.
Manson
,
P.
Delaney
,
F.
Jelezko
,
J.
Wrachtrup
, and
L. C.
Hollenberg
,
Phys. Rep.
528
,
1
(
2013
).
27.
P.
Kehayias
,
M. J.
Turner
,
R.
Trubko
,
J. M.
Schloss
,
C. A.
Hart
,
M.
Wesson
,
D. R.
Glenn
, and
R. L.
Walsworth
,
Phys. Rev. B
100
,
174103
(
2019
).
28.
P.
Udvarhelyi
,
V. O.
Shkolnikov
,
A.
Gali
,
G.
Burkard
, and
A.
Pályi
,
Phys. Rev. B
98
,
075201
(
2018
).
29.
V. M.
Acosta
,
E.
Bauch
,
M. P.
Ledbetter
,
A.
Waxman
,
L.-S.
Bouchard
, and
D.
Budker
,
Phys. Rev. Lett.
104
,
070801
(
2010
).
30.
H.
Mamin
,
M.
Sherwood
,
M.
Kim
,
C.
Rettner
,
K.
Ohno
,
D.
Awschalom
, and
D.
Rugar
,
Phys. Rev. Lett.
113
,
030803
(
2014
).
31.
R. R.
Fu
,
B. A.
Maher
,
J.
Nie
,
P.
Gao
,
T.
Berndt
,
E.
Folsom
, and
T.
Cavanaugh
,
Geochem. Geophys. Geosyst.
24
,
e2022GC010812
(
2023
).
32.
M. C.
Marshall
,
R.
Ebadi
,
C.
Hart
,
M. J.
Turner
,
M. J.
Ku
,
D. F.
Phillips
, and
R. L.
Walsworth
,
Phys. Rev. Appl.
17
,
024041
(
2022
).
33.
COMSOL Multiphysics® v. 6.0
, https://www.comsol.com/comsol-multiphysics (
2021
).
34.
P.
Kehayias
,
E.
Levine
,
L.
Basso
,
J.
Henshaw
,
M. S.
Ziabari
,
M.
Titze
,
R.
Haltli
,
J.
Okoro
,
D.
Tibbetts
et al,
Phys. Rev. Appl
17
,
014021
(
2022
).
35.
A.
Buades
,
B.
Coll
, and
J.-M.
Morel
, “
A non-local algorithm for image denoising
,” in
IEEE Computer Society Conference on Computer Vision and Pattern Recognition (CVPR)
(
IEEE
,
2005
), Vol.
2
, pp.
60
65
.
36.
A.
Buades
,
B.
Coll
, and
J.-M.
Morel
,
Multiscale Model. Simul.
4
,
490
(
2005
).
37.
G.
Bradski
,
Dr. Dobb's J. Software Tools
120
,
122
(
2000
).
38.
M.
Winklhofer
and
J. L.
Kirschvink
,
J. R. Soc. Interface
7
,
S273
(
2010
).
39.
M. M.
Walker
,
C. E.
Diebel
,
C. V.
Haugh
,
P. M.
Pankhurst
,
J. C.
Montgomery
, and
C. R.
Green
,
Nature
390
,
371
(
1997
).
40.
K. H.
Jaeger
and
A.
Tveito
,
Front. Physiol.
12
,
2439
(
2022
).
42.
S.
Dhein
and
A.
Salameh
,
Cells
10
,
2422
(
2021
).
43.
S.
Barral
and
M. A.
Kurian
,
Front. Mol. Neurosci.
9
,
78
(
2016
).
44.
J. R.
Holzer
,
L. E.
Fong
,
V. Y.
Sidorov
,
J. P.
Wikswo
, and
F.
Baudenbacher
,
Biophys. J.
87
,
4326
(
2004
).
45.
S.
Rossi
,
A.
Buccarello
,
P. R.
Ershler
,
R. L.
Lux
,
S.
Callegari
,
D.
Corradi
,
L.
Carnevali
,
A.
Sgoifo
,
M.
Miragoli
et al,
Am. J. Physiol.: Heart Circ. Physiol.
312
,
H584
(
2017
).
46.
N. G.
Sepulveda
,
B. J.
Roth
, and
J.
Wikswo
,
Biophys. J.
55
,
987
(
1989
).
47.
S.
Rossi
and
B. E.
Griffith
,
Chaos
27
,
093926
(
2017
).
48.
D. R.
Hochbaum
,
Y.
Zhao
,
S. L.
Farhi
,
N.
Klapoetke
,
C. A.
Werley
,
V.
Kapoor
,
P.
Zou
,
J. M.
Kralj
,
D.
Maclaurin
et al,
Nat. Methods
11
,
825
(
2014
).
49.
P.
Sundaram
,
A.
Nummenmaa
,
W.
Wells
,
D.
Orbach
,
D.
Orringer
,
R.
Mulkern
, and
Y.
Okada
,
NeuroImage
132
,
477
(
2016
).
50.
S. J.
Ihle
,
S.
Girardin
,
T.
Felder
,
T.
Ruff
,
J.
Hengsteler
,
J.
Duru
,
S.
Weaver
,
C.
Forró
, and
J.
Vörös
,
Biosens. Bioelectron.
201
,
113896
(
2022
).
51.
A. M.
Edmonds
,
C. A.
Hart
,
M. J.
Turner
,
P.-O.
Colard
,
J. M.
Schloss
,
K. S.
Olsson
,
R.
Trubko
,
M. L.
Markham
,
A.
Rathmill
et al,
Mater. Quantum Technol.
1
,
025001
(
2021
).
52.
T.-L.
Wee
,
Y.-K.
Tzeng
,
C.-C.
Han
,
H.-C.
Chang
,
W.
Fann
,
J.-H.
Hsu
,
K.-M.
Chen
, and
Y.-C.
Yu
,
J. Phys. Chem. A
111
,
9379
(
2007
).
53.
P.
Balasubramanian
,
C.
Osterkamp
,
Y.
Chen
,
X.
Chen
,
T.
Teraji
,
E.
Wu
,
B.
Naydenov
, and
F.
Jelezko
,
Nano Lett.
19
,
6681
(
2019
).
54.
S. J.
DeVience
,
L. M.
Pham
,
I.
Lovchinsky
,
A. O.
Sushkov
,
N.
Bar-Gill
,
C.
Belthangady
,
F.
Casola
,
M.
Corbett
,
H.
Zhang
et al,
Nat. Nanotechnol.
10
,
129
(
2015
).
55.
N.
Arunkumar
,
K. S.
Olsson
,
J. T.
Oon
,
C. A.
Hart
,
D. B.
Bucher
,
D. R.
Glenn
,
M. D.
Lukin
,
H.
Park
,
D.
Ham
et al,
Phys. Rev. Lett.
131
,
100801
(
2023
).

Supplementary Material

You do not currently have access to this content.