CN107024495A - 基于微波调相谱技术的金刚石色心自旋传感检测方法及系统 - Google Patents

基于微波调相谱技术的金刚石色心自旋传感检测方法及系统 Download PDF

Info

Publication number
CN107024495A
CN107024495A CN201710256550.3A CN201710256550A CN107024495A CN 107024495 A CN107024495 A CN 107024495A CN 201710256550 A CN201710256550 A CN 201710256550A CN 107024495 A CN107024495 A CN 107024495A
Authority
CN
China
Prior art keywords
microwave
diamond
phase modulation
colour center
receiving end
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN201710256550.3A
Other languages
English (en)
Other versions
CN107024495B (zh
Inventor
刘俊
郭浩
唐军
赵锐
刘文耀
朱强
马宗敏
赵彬彬
高研杰
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
North University of China
Original Assignee
North University of China
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by North University of China filed Critical North University of China
Priority to CN201710256550.3A priority Critical patent/CN107024495B/zh
Publication of CN107024495A publication Critical patent/CN107024495A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN107024495B publication Critical patent/CN107024495B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N24/00—Investigating or analyzing materials by the use of nuclear magnetic resonance, electron paramagnetic resonance or other spin effects
    • G01N24/10—Investigating or analyzing materials by the use of nuclear magnetic resonance, electron paramagnetic resonance or other spin effects by using electron paramagnetic resonance

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • High Energy & Nuclear Physics (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Immunology (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)
  • Investigating, Analyzing Materials By Fluorescence Or Luminescence (AREA)
  • Spectrometry And Color Measurement (AREA)

Abstract

本发明公开了一种基于微波调相谱技术的金刚石色心自旋传感检测方法，包括如下步骤：（1）、将微波发射端（4）和微波接收端（5）对称安装在抗磁圆环（8）内侧，微波发射端（4）与微波源连接，微波接收端（5）连接FPGA的数据采集口或示波卡的信号输入端，或者，微波接收端（5）通过分口器分别连接示波卡的信号输入端和FPGA的数据采集口。本发明结合了微波调相谱技术进行金刚石色心原子共振信号的检测，用激光将电子能级激发，扫描外加磁场，利用金刚石色心基态能级对微波场的吸收作用检测微波信号的变化，用来读出色心自旋信息。本发明检测方法简便，精度高，而且消除了光路的复杂性和不稳定性，提高了原子磁共振的信噪比。

Description

基于微波调相谱技术的金刚石色心自旋传感检测方法及系统
技术领域
本发明属于量子信息解算领域，具体为一种基于微波调相谱技术来对金刚石NV色心的电子自旋信息进行检测。
背景技术
由于原子核携带电荷，当原子核自旋时，会由自旋产生一个磁距，这一磁距方向与原子核的自旋方向相同，其大小与原子核的自旋角动量成正比。把金刚石置于外加磁场中，当原子核磁矩与外加磁场方向不同时，金刚石中原子核磁距会绕外磁场方向转动，类似陀螺在旋转过程的绕轴转动，为Lamor进动。原子核的进动频率与外加磁场和原子核本身的性质决定，对于某一特定原子核，在一定发得磁场中，其自旋进动频率是固定的，利用这种原理制成了原子磁共振仪器。
为了读出原子自旋的信息，用波长532nm的激光照射到金刚石表面，极化自旋，制备共振初态，接着关闭激光，然后通过微带天线将扫频微波信号施加到金刚石上，最后再次打开激光读出金刚石NV色心的原子自旋状态，此过程中，微波信号的产生是利用了在PCB板上刻蚀金属细线或是制作微带天线来辐射微波信号，这种方法对微波的损耗较大，辐射到金刚石上的微波能量很弱，也有直接将微带天线加工到金刚石表面的方法，这种方法辐射效率有所提高，但对工艺要求较高，要保证天线准确刻蚀在色心附近，而且微波辐射方向不能调整，难以直接对准NV轴，它们的共同不足还在于需要有高质量的光电转换形式的信息接收电路，需要滤除包括自然光、激发光的干扰，才能采集到高质量的光信号，然后利用单光子计数器或是光电二极管转化为电信号进行解算，在光电转换过程中，激发光会产生很强的干扰，难以滤除干净，耦合到光电探测器中，对检测信号造成噪声干扰，信噪比不高。针对运用光电转化的方式，本发明借鉴了微波CT技术，直接通过检测透射过金刚石之后的微波信息，解算发生透射后的微波能量，绘制波形，实现对共振信号的检测，去除了搭建光路的复杂系统以及各类光的干扰问题，提高了信噪比。
发明内容
本发明针对现有固体金刚石原子自旋检测方法中光路的复杂性以及对光信号读出过程存在的光干扰问题，为了提高金刚石NV色心电子自旋信息的检测精度，提出了一种基于微波调相谱技术的金刚石原子自旋信息读出方法，简化了传统使用光信号读出自旋状态方式的实验光路，解决了激发光的干扰问题，提高了信噪比。
本发明是采用如下技术方案实现的：
一种基于微波调相谱技术的金刚石色心自旋传感检测方法，包括如下步骤：
（1）、将微波发射端和微波接收端对称安装在抗磁圆环内侧，微波发射端与微波源连接，微波接收端连接FPGA的数据采集口或示波卡的信号输入端，或者，微波接收端通过分口器分别连接示波卡的信号输入端和FPGA的数据采集口；
（2）、将具有NV色心的金刚石固定在抗磁圆环中心，采用激光器发射激光照射到金刚石表面，初始化NV色心的自旋状态，使其都布局在ms=0的状态，使金刚石完成初始化；
（3）、打开微波源，微波发射端发射微波扫频信号，设置微波场频率在2.85GHz~2.89GHz，扫频微波透过金刚石样品，微波接收端进行投射微波的吸收，微波接收端的信号进入示波卡和FPGA，示波卡实时显示图形，FPGA则对采集的信号进行数字滤波处理，并解算绘制解调图形显示在图形显示窗口；
（4）、通过观察微波的吸收峰，由此直观看出金刚石色心的电子共振谱。
本发明方法结合了微波调相谱技术进行金刚石色心原子共振信号的检测，用激光将电子能级激发，扫描外加磁场，利用金刚石色心基态能级对微波场的吸收作用检测微波信号的变化，用来读出色心自旋信息，即达到本发明目的。
本发明检测方法简便，精度高，而且消除了光路的复杂性和不稳定性，提高了原子磁共振的信噪比。
附图说明
图1表示微波检测色心自旋信息的系统结构
图2表示自旋信息检测系统的工作流程
图3表示信号分析解调过程
图中：1-金刚石，2-激光器，3-二维调节平台，4-微波发射端，5-微波接收端，6-转轴，7-木质框架，8-抗磁圆环。
具体实施方式
下面对本发明的具体实施例进行详细说明。
一种基于微波调相谱技术的金刚石色心自旋传感检测系统，如图1所示，包括抗磁圆环8，所述抗磁圆环8内侧对称安装有微波发射端4和微波接收端5，所述微波发射端4连接SMA接头，接头连接微波源；所述微波接收端5连接SMA接头，接头连接分口器，分口器一头接示波卡的信号输入端，一头接FPGA控制芯片的数据采集口。或者，微波接收端5通过SMA接头直接连接示波卡或者FPGA控制芯片也可以。所述抗磁圆环8中心固定具有NV色心的金刚石1，金刚石样品和激光发射器放在水平支撑台上，激光器固定在二维操作平台3上，通过调节二维操作平台，使激光刚好可以照射到金刚石样品表面。
具体实施时，三个微波发射端4固定在抗磁圆环8内侧卡槽中，间隔15度；三个微波接收端5固定在抗磁圆环8内侧卡槽中，间隔15度。所述抗磁圆环8采用铝合金材料制备。抗磁圆环8通过两侧转轴6安装在木质框架7上。
另外，本发明利用简单的方法设计制作微波天线。微波发射端4包括树脂板，所述树脂板上印有宽度为0.03mm的环状金属丝作为微波发射天线；所述微波接收端5包括树脂板，所述树脂板上印有宽度为0.03mm的环状金属丝作为微波接收天线。微波发射端或者微波接收端的制备方法如下：通过热压印技术将金属铜压在绝缘合成树脂板上，然后将具有天线结构图形的油纸紧贴在树脂板上，再次热压印转移图形，油纸上绘制天线结构图形的墨不溶于浓氨水，然后使用浓氨水除去树脂板上裸露的金属铜，留下天线结构，然后用砂纸把墨擦掉，形成金属铜微波天线。所述环状金属丝直径为1cm。
一种基于微波调相谱技术的金刚石色心自旋传感检测方法，应用微波调相谱技术对金刚石进行自旋信息检测，只需在接收端收集微波信号就可以解算出金刚石NV色心电子自旋信息。具体步骤如下：
（1）、将微波发射端4和微波接收端5对称安装在抗磁圆环8内侧，微波发射端4与微波源连接，微波接收端5连接FPGA的数据采集口或示波卡的信号输入端，或者，微波接收端5通过分口器分别连接示波卡的信号输入端和FPGA的数据采集口。
（2）、将具有NV色心的金刚石1固定在抗磁圆环8中心，采用激光器发射激光照射到金刚石表面，初始化NV色心的自旋状态，使其都布局在ms=0的状态，使金刚石完成初始化。
（3）、打开微波源，微波发射端发射微波扫频信号，设置微波场频率在2.85GHz~2.89GHz，扫频微波透过金刚石样品，微波接收端进行投射微波的吸收，微波接收端的信号进入示波卡和FPGA，如图2所示。示波卡实时显示图形。检测微波接收天线的信号变化，FPGA则对采集的信号进行数字滤波后进行处理分析，解算绘制解调图形，输出调整后的信号，在图形显示窗口显示波形，如图3所示。
（4）、通过观察微波的吸收峰，由此直观看出金刚石色心的电子共振谱，即获得金刚石色心的自旋信息。
具体操作时，金刚石样品固定在微波天线环的中央位置，使用高稳定性激光发射器照射金刚石样品，制备电子自旋初态到ms=0，使样品完成初始化，打开微波源，微波发射天线发射微波扫频信号，微波透射过金刚石样品，由于原子顺磁磁距比原子核的顺磁磁距大1000多倍，所以原子顺磁共振频率落在微波吸收范围，因而金刚石色心对特定频率的微波具有吸收作用，根据Radon原理，在共振频率下，微波接收端的信号会出现明显的吸收峰，所以可以直接根据接收端采集到的微波信号便可检测到原子共振信息。设置微波场频率在2.85GHz~2.89GHz之间扫频，扫频时间为1s，输出功率20dBm。利用示波卡采集微波接收端的数据，采样率1GS/s。FPGA每隔1s对信号进行采集，并进行数字滤波，输出波形在图像显示窗口，即获得金刚石色心的自旋信息。
以上仅为本发明的具体实施例，但并不局限于此。任何以本发明为基础解决基本相同的技术问题，或实现基本相同的技术效果，所作出地简单变化、等同替换或者修饰等，均属于本发明的保护范围内。

Claims (7)

1.一种基于微波调相谱技术的金刚石色心自旋传感检测方法，其特征在于：包括如下步骤：
（1）、将微波发射端（4）和微波接收端（5）对称安装在抗磁圆环（8）内侧，微波发射端（4）与微波源连接，微波接收端（5）连接FPGA的数据采集口或示波卡的信号输入端，或者，微波接收端（5）通过分口器分别连接示波卡的信号输入端和FPGA的数据采集口；
（2）、将具有NV色心的金刚石（1）固定在抗磁圆环（8）中心，采用激光器发射激光照射到金刚石表面，初始化NV色心的自旋状态，使其都布局在ms=0的状态，使金刚石完成初始化；
（3）、打开微波源，微波发射端发射微波扫频信号，设置微波场频率在2.85GHz~2.89GHz，扫频微波透过金刚石样品，微波接收端进行投射微波的吸收，微波接收端的信号进入示波卡和FPGA，示波卡实时显示图形，FPGA则对采集的信号进行数字滤波处理，并解算绘制解调图形显示在图形显示窗口；
（4）、通过观察微波的吸收峰，由此直观看出金刚石色心的电子共振谱。
2.一种基于微波调相谱技术的金刚石色心自旋传感检测系统，其特征在于：包括抗磁圆环（8），所述抗磁圆环（8）内侧对称安装有微波发射端（4）和微波接收端（5），所述微波发射端（4）连接微波源，所述微波接收端（5）连接FPGA和/或示波卡；所述抗磁圆环（8）中心固定具有NV色心的金刚石（1），所述金刚石（1）由激光器（2）照射到表面。
3.根据权利要求2所述的基于微波调相谱技术的金刚石色心自旋传感检测系统，其特征在于：三个微波发射端（4）固定在抗磁圆环（8）内侧卡槽中，间隔15度；三个微波接收端（5）固定在抗磁圆环（8）内侧卡槽中，间隔15度。
4.根据权利要求3所述的基于微波调相谱技术的金刚石色心自旋传感检测系统，其特征在于：微波发射端（4）包括树脂板，所述树脂板上印有宽度为0.03mm的环状金属丝作为微波发射天线；所述微波接收端（5）包括树脂板，所述树脂板上印有宽度为0.03mm的环状金属丝作为微波接收天线。
5.根据权利要求4所述的基于微波调相谱技术的金刚石色心自旋传感检测系统，其特征在于：所述微波发射端或者微波接收端的制备方法如下：通过热压印技术将金属铜压在绝缘合成树脂板上，然后将具有天线结构图形的油纸紧贴在树脂板上，再次热压印转移图形，油纸上绘制天线结构图形的墨不溶于浓氨水，然后使用浓氨水除去树脂板上裸露的金属铜，留下天线结构，然后用砂纸把墨擦掉，形成金属铜微波天线。
6.根据权利要求2所述的基于微波调相谱技术的金刚石色心自旋传感检测系统，其特征在于：所述抗磁圆环（8）采用铝合金材料制备。
7.根据权利要求4所述的基于微波调相谱技术的金刚石色心自旋传感检测系统，其特征在于：所述环状金属丝直径为1cm。
CN201710256550.3A 2017-04-19 2017-04-19 基于微波调相谱技术的金刚石色心自旋传感检测方法及系统 Active CN107024495B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201710256550.3A CN107024495B (zh) 2017-04-19 2017-04-19 基于微波调相谱技术的金刚石色心自旋传感检测方法及系统

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201710256550.3A CN107024495B (zh) 2017-04-19 2017-04-19 基于微波调相谱技术的金刚石色心自旋传感检测方法及系统

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN107024495A true CN107024495A (zh) 2017-08-08
CN107024495B CN107024495B (zh) 2018-10-26

Family

ID=59527090

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201710256550.3A Active CN107024495B (zh) 2017-04-19 2017-04-19 基于微波调相谱技术的金刚石色心自旋传感检测方法及系统

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN107024495B (zh)

Cited By (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN107728027A (zh) * 2017-10-31 2018-02-23 国网安徽省电力公司电力科学研究院 用于变压器套管的绝缘缺陷检测装置及方法
CN107807315A (zh) * 2017-10-31 2018-03-16 国网安徽省电力公司电力科学研究院 用于电气设备的绝缘缺陷检测装置及方法
CN108061871A (zh) * 2017-10-31 2018-05-22 国网安徽省电力公司电力科学研究院 用于检测系统的支架、控制装置和检测系统
CN108469447A (zh) * 2018-03-20 2018-08-31 中北大学 基于微波调相谱技术的探针式电子自旋检测方法
CN108519564A (zh) * 2018-03-20 2018-09-11 中北大学 基于金刚石nv色心的三轴固态原子磁传感器及磁场检测方法
CN108957376A (zh) * 2018-05-18 2018-12-07 中北大学 芯片式原子自旋磁传感器
CN110600880A (zh) * 2019-09-19 2019-12-20 北京航空航天大学 无需移相器圆极化频率可调固体色心微波操控系统及方法
WO2021023229A1 (en) * 2019-08-05 2021-02-11 Goldway Technology Limited Diamond authentication process and system therefore
JP2021536565A (ja) * 2018-08-27 2021-12-27 マサチューセッツ インスティテュート オブ テクノロジー アンサンブル固体スピンセンサのマイクロ波共振器読み出し
CN116593949A (zh) * 2023-01-03 2023-08-15 中国电力科学研究院有限公司 量子高速调控磁测量方法及系统

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102193074A (zh) * 2011-03-15 2011-09-21 中国科学技术大学 磁场测量装置及其制作方法、一种磁场测量方法
WO2012174125A1 (en) * 2011-06-13 2012-12-20 President And Fellows Of Harvard College Efficient fluorescence detection in solid state spin systems
WO2015015172A1 (en) * 2013-07-30 2015-02-05 The University Of Warwick Sensitive detector
CN104360152A (zh) * 2014-11-13 2015-02-18 北京航空航天大学 一种基于nv色心金刚石的微波传感器
CN105823994A (zh) * 2016-03-10 2016-08-03 中国科学技术大学 一种基于金刚石nv色心的微波磁场测量系统

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102193074A (zh) * 2011-03-15 2011-09-21 中国科学技术大学 磁场测量装置及其制作方法、一种磁场测量方法
WO2012174125A1 (en) * 2011-06-13 2012-12-20 President And Fellows Of Harvard College Efficient fluorescence detection in solid state spin systems
WO2015015172A1 (en) * 2013-07-30 2015-02-05 The University Of Warwick Sensitive detector
CN104360152A (zh) * 2014-11-13 2015-02-18 北京航空航天大学 一种基于nv色心金刚石的微波传感器
CN105823994A (zh) * 2016-03-10 2016-08-03 中国科学技术大学 一种基于金刚石nv色心的微波磁场测量系统

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
J.HARRISON ET AL.: "Measurement of the optically induced spin polarisation of N-V centres in diamond", 《DIAMOND AND RELATED MATERIALS》 *
赵敏 等: "金刚石集群氮空位(NV)色心自旋态调控设计与实现", 《量子光学学报》 *

Cited By (15)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN107728027A (zh) * 2017-10-31 2018-02-23 国网安徽省电力公司电力科学研究院 用于变压器套管的绝缘缺陷检测装置及方法
CN107807315A (zh) * 2017-10-31 2018-03-16 国网安徽省电力公司电力科学研究院 用于电气设备的绝缘缺陷检测装置及方法
CN108061871A (zh) * 2017-10-31 2018-05-22 国网安徽省电力公司电力科学研究院 用于检测系统的支架、控制装置和检测系统
CN107807315B (zh) * 2017-10-31 2023-12-19 国网安徽省电力公司电力科学研究院 用于检测电气设备的绝缘缺陷的方法
CN107728027B (zh) * 2017-10-31 2023-05-16 国网安徽省电力公司电力科学研究院 用于变压器套管的绝缘缺陷检测装置及方法
CN108469447A (zh) * 2018-03-20 2018-08-31 中北大学 基于微波调相谱技术的探针式电子自旋检测方法
CN108519564A (zh) * 2018-03-20 2018-09-11 中北大学 基于金刚石nv色心的三轴固态原子磁传感器及磁场检测方法
CN108519564B (zh) * 2018-03-20 2020-03-31 中北大学 基于金刚石nv色心的三轴固态原子磁传感器及磁场检测方法
CN108957376A (zh) * 2018-05-18 2018-12-07 中北大学 芯片式原子自旋磁传感器
JP2021536565A (ja) * 2018-08-27 2021-12-27 マサチューセッツ インスティテュート オブ テクノロジー アンサンブル固体スピンセンサのマイクロ波共振器読み出し
WO2021023229A1 (en) * 2019-08-05 2021-02-11 Goldway Technology Limited Diamond authentication process and system therefore
US11879859B2 (en) 2019-08-05 2024-01-23 Goldway Technology Limited Process for determining the type of a diamond
CN110600880A (zh) * 2019-09-19 2019-12-20 北京航空航天大学 无需移相器圆极化频率可调固体色心微波操控系统及方法
CN116593949A (zh) * 2023-01-03 2023-08-15 中国电力科学研究院有限公司 量子高速调控磁测量方法及系统
CN116593949B (zh) * 2023-01-03 2024-05-14 中国电力科学研究院有限公司 量子高速调控磁测量方法及系统

Also Published As

Publication number Publication date
CN107024495B (zh) 2018-10-26

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN107024495B (zh) 基于微波调相谱技术的金刚石色心自旋传感检测方法及系统
CN107247065B (zh) 金刚石nv色心轴向检测与定位方法及系统
CN109067682B (zh) 一种基于里德堡原子的量子天线调幅波接收装置和方法
CN103387219B (zh) 一种微波辐射制备水溶性多色碳量子点的方法
CN111308228B (zh) 一种塞曼调频提高微波电场强度测量信噪比的方法及装置
CN109163815B (zh) 一种毫米波检测方法及装置
CN112068046B (zh) 一种nv色心磁场测量装置及光调制磁场测量方法
CN101896832B (zh) Mri接收器中改进的时钟发生器
WO2011137647A1 (zh) 一种微波周期性on-off调制vcsel实现ramsey-cpt原子频标的方法及装置
CN108088655A (zh) 基于双边带调制与频移的光器件测量方法、装置
CN101283287A (zh) 采用集成电子器件的rf天线
CN109905177A (zh) 基于微波光波相干转换的无线数字通信接收天线及其方法
CN106450803B (zh) 一种cmos集成源的太赫兹超外差正交探测阵列
CN107389315A (zh) 光器件频响测量方法及测量装置
CN113237859A (zh) 金刚石薄膜荧光高效收集装置
CN104635062A (zh) 一种环境电磁辐射监测系统
CN105810704B (zh) 一种广谱成像探测芯片
CN113504415A (zh) 一种里德堡原子微波鉴相器系统及其相位测量方法
CN106629664B (zh) 一种以荸荠为原料微波合成碳量子点的方法及其应用
CN208282862U (zh) 一种辐射巡测探头和辐射测量仪
CN101174719A (zh) 一种太赫兹波开关装置及其方法
CN108957376A (zh) 芯片式原子自旋磁传感器
CN207351556U (zh) 一种基于激光器的原子谱线高精度探测装置
CN106802373A (zh) 一种测量电场强度的原子传感器系统及电场强度测量方法
CN202758005U (zh) 一种原子钟信噪比测量装置

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant