다이아몬드 NV 센터(Nitrogen-Vacancy) 나노 양자 자력계 & 1,000Hz 0-Alloc C# ODMR 광학 감지 마그네틱 서보 엔진

using System;
using System.Runtime.CompilerServices;

namespace ZeliDesk.Stem.QuantumSensing
{
    /// <summary>
    /// 다이아몬드 NV 센터 ODMR 양자 자력계 서보 상태
    /// 0-Alloc ref struct: GC 부담 완전 배제 (1,000Hz 실시간 루프)
    /// </summary>
    public ref struct NvMagnetometerState
    {
        public float TargetCenterFreqHz;    // 기저 공명 중심 주파수 [Hz] (기본 2.87 GHz)
        public float CurrentMwFreqHz;        // 현재 마이크로파 인가 주파수 [Hz]
        public float MeasuredPhotodiodeV;    // 포토다이오드 측정 형광 전압 [V]
        public float ZeemanSplittingHz;      // 역산된 제만 분열 주파수 [Hz]
        public float MagneticFieldTesla;     // 계산된 축방향 자기장 [Tesla]
        public float OdmrContrast;           // ODMR 공명 신호 딥(Dip) 콘트라스트
        public float FrequencyModulationDev; // 마이크로파 FM 변조 편차 [Hz]
        public bool IsLocked;                // 공명 주파수 추적 잠금 플래그
    }

    /// <summary>
    /// 1,000Hz 무할당 다이아몬드 NV 센터 ODMR 주파수 추적 및 자기장 역산 서보
    /// </summary>
    public static class NvOdmrServoEngine
    {
        // NV 센터 물리 상수
        public const float ZeroFieldSplittingD = 2.870e9f;  // 2.870 GHz
        public const float GyromagneticRatioGamma = 28.024e9f; // 28.024 MHz/mT = 28.024 GHz/T
        private const float DefaultFwhmHz = 8.0e6f;         // 선폭 8 MHz

        /// <summary>
        /// 1,000Hz (1ms) 단일 실행 프레임: 록인 복조 에러 신호 계산 및 마이크로파 VCO 제어
        /// </summary>
        [MethodImpl(MethodImplOptions.AggressiveInlining)]
        public static void UpdateFrame(
            ref NvMagnetometerState state,
            float measuredFluorescenceV,
            float referenceV,
            float dtSeconds)
        {
            state.MeasuredPhotodiodeV = measuredFluorescenceV;

            // 1) 형광 강도 정규화 및 콘트라스트 계산
            float normVoltage = (referenceV > 1e-4f) ? (measuredFluorescenceV / referenceV) : 1.0f;
            state.OdmrContrast = MathF.Max(0.0f, 1.0f - normVoltage);

            // 2) 분산형 에러 신호 복조 (디지털 록인 증폭기 알고리즘)
            // 공명 주파수 근방에서 주파수 디튜닝 오차에 비례하는 S-커브 도함수 신호
            float detuningHz = state.CurrentMwFreqHz - state.TargetCenterFreqHz;
            float gammaHalf = DefaultFwhmHz * 0.5f;
            float lorentzianDeriv = -(2.0f * detuningHz * gammaHalf * gammaHalf) /
                MathF.Pow((detuningHz * detuningHz) + (gammaHalf * gammaHalf), 2.0f);

            // 록인 위상 감응 에러 전압
            float lockInError = (1.0f - normVoltage) * MathF.Sign(detuningHz);

            // 3) 주파수 잠금 적분기 (VCO 제어)
            float ki = 1.2e8f; // 적분 이득 [Hz/V]
            state.CurrentMwFreqHz += lockInError * ki * dtSeconds;

            // 4) 제만 분열 주파수 및 정밀 자기장 역산
            float fMinus = ZeroFieldSplittingD - (state.CurrentMwFreqHz - ZeroFieldSplittingD);
            float fPlus = state.CurrentMwFreqHz;
            state.ZeemanSplittingHz = MathF.Abs(fPlus - ZeroFieldSplittingD) * 2.0f;

            // B = Delta_f / (2 * gamma_e)
            state.MagneticFieldTesla = state.ZeemanSplittingHz / (2.0f * GyromagneticRatioGamma);

            // 잠금 상태 판정: 형광 딥이 뚜렷하고 에러가 미소할 때
            state.IsLocked = (state.OdmrContrast > 0.03f) && (MathF.Abs(lockInError) < 0.05f);
        }
    }
}