CN101403716A - 原子分辨率的共振显微原子核自旋探针 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种原子分辨率的共振显微原子核自旋探针，包括振荡器，双扭转振荡器和压力悬臂组成振荡器，射频电路的上方设置振荡器，振荡器的一侧有光纤干涉探测器，振荡器的另一侧有梯度磁场和静磁场，在振荡器和梯度磁场之间有扫描片断。本发明利用核磁共振小探针压力显微，对实现更复杂量子比特逻辑门上的光电、声光、磁电、非线性响应特性，对光电子、半导体集成、海量量子存储、航空航天装备、飞行器搭载设备运行、空间探测、生物蛋白研究提供了重要手段和指导，具有极其重要理论意义和应用价值。

Description

原子分辨率的共振显微原子核自旋探针

技术领域

本发明涉及微机械下原子分辨率的核磁共振显微的原子核探测，特别涉及一种原子分辨率的共振显微原子核自旋探针。

背景技术

原子分辨率共振显微原子核自旋探针在许多领域都有着广泛的应用，如非平衡态探索原子核自旋极化，高灵敏度传感原子核量子信息，量子通信和量子纠缠。共振压力显微探针是显微和核磁共振成像的结合，它不但对生物蛋自、基因组序、医药、半导体集成、工业催化剂和资源勘探产生重要影响，而且对新型电子自旋器件、量子阱器件和量子计算机及光计算机意义重大。传感器领域核磁压力显微优于SEM可以实现三维探测，观测固体表面以下的图像，相比STM扫描隧道显微的直接观察原子在物质表面的排列状态和与表面电子行为和有关的物理化学性质的探测，核磁压力显微具有优势，可以认识表面形貌和表面电子结构以下结构空间的信息。同时与STM的导体和半导体样品观测和AFM原子力显微的半导体绝缘体表面形貌测试比较，核磁压力显微无论在测试原理和试验方法，测试的灵敏度等方面具有优势，特别在表面科学、材料、生命和微电子技术具有重要意义。在量子计算上核磁共振压力显微可以实现量子通信。因此，原子分辨率共振压力显微原子核自旋探针有着良好的应用前景。

原子分辨率共振压力显微原子核自旋探针可以对半导体物理学、纳米光学、激光等离子体技术产生深远的影响。

发明内容

本发明的目的在于提供一种原子分辨率共振显微原子核自旋探针，具有品质因数高、效率好分辨率高、倔强系数优、结构紧凑、灵敏度高和工作可靠的优点和特点。

实现本发明的技术方案是这样解决的：

本发明包括振荡器，双扭转振荡器和压力悬臂组成振荡器，射频电路的上方设置振荡器，振荡器的一侧有光纤干涉探测器，振荡器的另一侧有梯度磁场和静磁场，在振荡器和梯度磁场之间有扫描片断。

双扭转振荡器涂覆核磁共振材料。

本发明利用核磁共振小探针压力显微，对实现更复杂量子比特逻辑门上的光电、声光、磁电、非线性响应特性，对光电子、半导体集成、海量量子存储、航空航天装备、飞行器搭载设备运行、空间探测、生物蛋白研究提供了重要手段和指导，具有极其重要理论意义和应用价值。

附图说明

附图为本发明的结构示意图。

具体实施方式

附图为本发明的具体实施例；

下面结合附图对本发明的内容作进一步说明：

参见附图所示，压力悬臂3安装在振荡器1上，超导强H静磁场7产生4T磁场环境，射频电路RF5产生脉冲时间序列，磁场梯度6产生共振扫描片断8，压力悬臂3探测到核自旋信号，105.2nm激光通过光纤干涉探测器4获得共振压力显微信号，信号通过光纤位移传感器传送到信号采集系统。

原子分辨率共振压力显微原子核自旋探针包括核磁共振显微组件，如共振显微探针、振荡器、双扭转振荡器、压力悬臂、光纤干涉探测器、RF Coil电路、梯度磁场、真空Chamber组件等。RF频率脉冲序列具有对磁场强度方向、速率和相位调制功能。有效磁场的变化决定原子核章动方向，采用波形发生器和数字综合分析仪实现脉冲序列，相移控制脉冲时序并具有μm脉冲分辨率，频率达到MHz。振荡器反馈控制，扫描片断步进扫描样品，获取原子核自旋信息，振荡器产生共振显微摇摆压力。通过循环缓变翻转，自旋被锁定在有效场方向。

提高共振核磁显微灵敏度构建光纤干涉传感器和探针配置Tip，通过Lock-in放大控制、调整调制频率(Radio Frequency，RF)，控制针尖样品聚集元素和双扭的翻转振荡器的共振频率，提取核自旋物理量。

试验振荡器控制考虑外场力和振荡器随机热运动，随机优化控制阻尼调谐振荡器悬臂、光纤光探测器的干涉检测，构建2D-3D扫描图像，弛豫时间的测量和激光自激励感应共振的克服。

压力显微振荡器频率偏移的测试调整，振荡器性能上调整弹性系数、Q值、磁场梯度、振荡器振幅对共振频率的影响。测试频率偏移对系统的影响，调整获得核磁压力显微测试的最佳方法。压力测试系统装置通过脉冲序列的测试调整自旋晶格、自旋-自旋缓释时间。脉冲序列中完成分析TRIGGER、MODULATION、RETERANCE等信号序列。系统配置有PUMP、RF、SIGNAL GENERATOR等装置。

针对自旋相位，振荡器上扭转和弯曲模型，调整RF脉冲时序和扫描片断体积，选择载频扫描频率和振荡器匹配。

探针循环缓变自旋翻转和进动是在外磁场下原子核磁矩和角动量系统在RF场作用下的结果，它们能直接反映出对原子核和电子自旋探测和操控，机械探测包括压电陶瓷振荡器的悬臂和振荡器的弹性常数k，高质量的品质常数Q，振荡频率ω_OSC，低温有助于得到好的信噪比，并提高原子核探测灵敏度。

工作过程：样品和具有弹性常数的压力悬臂3被安装在机械压电陶瓷驱动的双扭转振荡器2上，在静磁场7背景条件下，梯度磁场6提供变化的梯度场，原子核磁场被无线射频发射的磁场所调制，在压电陶瓷四轴定位的悬臂针尖下，对任意3D样品内进行扫描和自旋驱动翻转和控制。自旋的翻转响应可以被光纤传感器所观测。如果自旋磁矩m在有效场下被调制在一个磁场的梯度中，探针经扫描片段8扫描，将受到一个振荡的作用力。

射频电路RF5可以采用不同线径的铜线绕制，通过线径绕组半径，电压电流调整，和综合网络分析仪的输出频率，控制扫描的体积大小和厚度。根据核磁共振样品的性质，选择富含原子核自旋的样品材料。

光纤干涉探测器4的运用采用nm光纤，光纤半导体激光在该波段热效应小，激光单色性好，光纤压力传感探测光纤光强的变化，针对入射和反射的光强变化，选择在光强变化的拐点线性区域进行测试压力分析，可以得到较好的线性对应关系，并且具有噪声小，灵敏度高，误差小的特点。

梯度磁场6采用0.5毫米直径的磁性材料，FePt或Fe的氧化物高顺磁性。样品采用粘结装调在双扭转振荡器2上，样品涂沫面积0.1*0.1*0.1*μm³，取得较大核磁磁矩和扭转压力，粘接剂及其样品使用分析纯保持高纯度，降低弛豫过程的噪声。

三轴定位系统由矩齿波上升/下降控制，连续/单步控制对16F873A输入控制，16F873A输出控制8位的数据采集控制卡，驱动压电陶瓷三轴压电陶瓷定位系统。

Claims (2)

1、一种原子分辨率的共振显微原子核自旋探针，包括振荡器(1)，其特征在于，双扭转振荡器(2)和压力悬臂(3)组成振荡器(1)，射频电路(5)的上方设置振荡器(1)，振荡器(1)的一侧有光纤干涉探测器(4)，振荡器(1)的另一侧有梯度磁场(6)和静磁场(7)，在振荡器(1)和梯度磁场(6)之间有扫描片断(8)。

2、根据权利要求1所述的一种原子分辨率的共振显微原子核自旋探针，其特征在于，双扭转振荡器(2)涂覆核磁共振材料。

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