CN107271456B - 微波扫描共振的固态自旋系综定位与浓度测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明面向量子传感的固态自旋微弱信息检测，具体是一种微波扫描共振的新型固态自旋系综定位与浓度测量装置。该装置主要由精密测量单元，自旋微波定位控制模块和微波扫描共振自旋浓度测量模块组成。提出利用自旋定位、微波共振的三维浓度扫描测量，采用探针自旋定位技术实现自旋的精确定位，可以进行自旋系综的均匀性测量；同时利用微波共振三维浓度扫描测量方法，能够得到固态自旋浓度三维浓度的高精度测量。

Description

微波扫描共振的固态自旋系综定位与浓度测量装置

技术领域

本发明属于量子传感的固态自旋微弱信息检测领域，具体是一种微波扫描共振的固态自旋系综定位与浓度测量装置。

背景技术

近年来，随着光与原子分子物理、量子技术的不断发展，以及信息科学领域关键技术的突破，以量子导航、量子计算、量子雷达、量子通信与量子卫星为代表的量子技术依靠其抗干扰性强、探测距离超长、保密性高、芯片集成的高精度化等优势正在成为下一代国家战略与精密测量领域的颠覆性技术。

量子调控技术以及微纳加工技术的迅速发展，表现在以金刚石氮空位(NV)色心量子体系为代表的固体磁共振力/磁参量传感测量灵敏度已经突破了人类传统认知的极限(力测量：fN；磁测量：aT)，并且测量单元微小化、测量系统芯片化的趋势也愈加明显。在空间飞行器、导弹的姿态和轨道控制，地球磁场梯度测量，长航时高精度导航等尖端技术领域，加速度、角速度、磁场等参量的测量具有广阔的应用前景。

在以往关于自旋的研究中，采用红外/拉曼光谱的方式，只能得到自旋浓度的定性与半定量分析；同时由于光斑尺寸问题，对自旋系综的均匀性指标，还没有更好的方法。而三维固态自旋系综浓度是影响量子传感精度的关键因素之一，研究自旋浓度的确定性测量与均匀性表征是实现自旋系综量子空间分布的关键。

综上所述，面向量子传感的固态自旋系综定位与浓度测量装置，有望为未来的量子传感器件、量子计算机、新型自旋材料开发提供基本的测量手段。由于自旋属性的复杂性，自旋信息极其微弱，背景噪声大，因此，需要提出新的自旋系综浓度测量方法与思路，重点研究原子力显微自旋定位的均匀度测量与微波共振自旋系综的定量表征理论与方法模型，开发关键技术，提高系统的灵敏度、降低噪声，实现自旋系综浓度测量。

本发明装置就是基于这样的研究热点，通过解决自旋系综浓度测量关键问题，研制出新一代面向量子传感的固态自旋系综测量装置，为科学研究提供更新颖、更先进的手段和工具。

发明内容

本发明提出利用自旋定位、微波共振的三维浓度扫描测量，采用探针自旋定位技术实现自旋的精确定位，可以进行自旋系综的均匀性测量；同时利用微波共振三维浓度扫描测量方法，能够得到固态自旋浓度三维浓度的高精度测量。

本发明是采用如下技术方案实现的：

一种微波扫描共振的固态自旋系综定位与浓度测量装置，包括自旋微波定位控制单元、微波扫描共振自旋浓度测量控制单元和测量单元。

所述测量单元包括测量单元底座，所述测量单元底座上安装样品位置控制器和探针位置控制器；所述样品位置控制器上安装样品扫描筒座，所述样品扫描筒座上安装样品扫描筒，所述样品扫描筒前端安装样品台，所述样品台上放置样品，所述样品台上位于样品一侧放置激光囚禁增强腔，所述样品周围放置激光反射镜，所述激光反射镜将样品发出的荧光聚集到一个方向经过滤波片滤光后输入至光电检测器；所述探针位置控制器上安装探针座，所述探针座上安装谐振腔，所述谐振腔同轴安装探针，所述探针从谐振腔的端壁孔中伸出，所述探针前端安装压电陶瓷振动针尖；所述探针台和样品台下方分别设有磁石。

所述自旋微波定位控制单元包括前置放大器，所述前置放大器输入端与光电检测器输出端连接、其输出端连接放大滤波器输入端，所述放大滤波器输出端并联锁相环输入端和幅值控制器输入端，所述锁相环的输出信号一路与幅值控制器的输出信号结合作为控制信号A反馈至测量单元的样品位置控制器、另一路同时输入至数据分析模块I和Z方向位置控制器，所述Z方向位置控制器输出控制信号B至测量单元的探针位置控制器。

所述微波扫描共振自旋浓度测量控制单元包括微波源，所述微波源产生微波信号输入到定向耦合参考器I，所述定向耦合参考器I的输出信号一路输入至微波放大器I、另一路输入至微波放大器II、再一路输入至功率参考数据分析模块，所述微波放大器I输出信号至谐振腔、且反馈至微波源；所述微波放大器II输出信号至定向耦合参考器II，所述定向耦合参考器II与Z方向位置控制器双向连接，所述定向耦合参考器II输出信号至微波放大器III，所述微波放大器III输出信号一路至数据分析模块II、另一路通过加法器I同微波放大器I的输出信号相加后，再次通过加法器II同低频振荡器相加后输出信号至数据分析模块III，所述低频振荡器输出合适的低频振荡信号至测量单元中样品台上的微波天线。

工作时，测量单元将检测到的微弱信号(来自于光电检测器的信号)输入到前置放大器，经过前置放大器、放大滤波器进行放大滤波后的信号输入到锁相环(PLL)和幅值控制器，幅值控制器检测信号的幅值变化，并使其输出的信号保持恒定的幅值，锁相环(PLL)对特定频率的信号进行锁相，锁相后的信号一路与幅值控制器确定的幅值结合形成恒定的激励反馈到测量单元中的样品位置控制器中，使得样品和探针保持合适的距离，使探针保持一定的频率振幅振动；另一路信号将提取出的频率变化进行数据分析模块I，并输入到Z方向位置控制器，控制精密测量单元中探针位置控制器进行Z方向的移动，使探针与样品之间以合适的距离进行检测。

微波源产生一个微波信号输入到定向耦合参考器I，一路信号输入至功率参考数据分析模块进行功率参考数据分析，然后另一路信号经过微波放大器I放大后作用后一路信号输入至测量单元中的谐振腔，另一路信号经过微波放大器II放大通过定向耦合参考器II再通过微波放大器III再次放大，将二次放大信号输入至数据分析模块II进行数据分析，将一次和二次放大信号同低频振荡器产生的信号输入数据分析模块III进行数据分析，确定合适的低频振荡信号后，低频振荡器输入到测量单元中样品台的微波天线上为检测提供一个稳定的微波场环境。

测量单元中，探针的针尖从端壁上的小孔中伸出谐振腔，为了提高谐振腔的品质因子Q、屏蔽远场因素影响，谐振腔小孔直径以刚通过探针针尖为好。探针下方的样品通过与针尖的相互作用改变谐振腔的有效长度和损耗，进而改变系统的共振频率和品质因素。通过压电陶瓷振动针尖做高频振动，入射光经过样品向各个方向散射经过光囚禁增强腔和光反射镜聚集到一个方向经过滤波片滤光后由光电检测器进行收集。

扫描样品时，先给予探针恒定振幅和频率的激励，将样品分为有限多个微小区域，依次对每一个区域进行采样分析，由于不同区域内NV-浓度分布的不同，探针样品相互接近时产生的相互作用力不同，导致探针振动频率的变化，将每一区域测出的探针振动频率变化输出，通过外部高速电子解算系统经过一系列的计算可以得到金刚石NV-的浓度分布。

理论原理如下：

扫描微波通过测量AFM探针在扫描过程中的反射微波系数(S₁₁)来得到针尖/样品的界面阻抗：

其中Z₀为表观阻抗(50Ω)，Z_l为载荷阻抗(等同于针尖/样品的界面阻抗)，针尖/样品的界面阻抗主要取决于电容变化，因此S₁₁可以直接反映相关的电容及样品的介电性质。

在相同时间和电容情况下，高操作频率(HF)导致负载阻抗减小，有：

Z＝1/jω_HFC (5)

将方程(5)带入方程(4)得到：

解方程(6)得：

AFM探针与金刚石表面接触，形成一个肖特基势垒。在AFM探针与金刚石之间加一反向偏压，结的势垒宽度向金刚石表面扩展。结的势垒电容(C)及其电压(V)的变化率(dc/dv)与势垒扩展宽度(x)及其相应的掺杂浓度[N(x)]由有下式给出：

将(7)带入方程(8)得：

S₁₁参数与微波频率关系中(如图4所示)，S₁₁的每一个共振峰值代表样品中元素(物质)对微波的振动频率，不妨设S₁₁(ω)≈S₁₁(ω₁)+S₁₁(ω₂)+S₁₁(ω₃)+···

其中，ω₁～f(N)，ω₂～f(NV^-)，ω₃～f(NV⁰)。

则由公式(9)可以得到，样品氮的浓度为:

NV-的浓度为:

因此，从理论上验证了运用该方法通过微波共振的方法可以得到局域NV-浓度的可行性。将探针在(x，y)平面进行逐点扫描，就可以得到样品的三维NV-浓度。

对上式(11)求导，得到：

则，

取典型值δS₁₁(ω₂)＝0.1dB，ε₀＝1,ε_r≈6，dC/dV≈20mV，ω_HF≈1GHz，Z₀＝50Ω，S₁₁(ω₂)≈0dB，A≈10nm,e＝1.6×10^-19c。则运用该方法最小可检测NV-浓度约为δS₁₁(ω₂)＝10¹²/cm^-3。

总之，由于自旋属性的复杂性，自旋信息极其微弱，背景噪声大，因此，需要提出新的自旋系综浓度测量方法与思路，重点研究原子力显微自旋定位的均匀度测量与微波共振自旋系综的定量表征理论与方法模型，提高系统的灵敏度、降低噪声，实现自旋系综浓度测量。本发明面向量子传感的固态自旋微弱信息检测，具体是一种微波扫描共振的新型固态自旋系综定位与浓度测量装置。该装置主要由精密测量单元，自旋微波定位控制模块和微波扫描共振自旋浓度测量模块组成；提出利用自旋定位、微波共振的三维浓度扫描测量，采用探针自旋定位技术实现自旋的精确定位，可以进行自旋系综的均匀性测量；同时利用微波共振三维浓度扫描测量方法，能够得到固态自旋浓度三维浓度的高精度测量。

附图说明

图1表示本发明的系统设计示意图。

图2a表示自旋浓度测量测量单元俯视示意图。

图2b表示自旋浓度测量测量单元样品部分示意图。

图2c表示自旋浓度测量测量单元探针部分示意图。

图3表示微波共振扫描浓度测量理论示意图。

图4表示S₁₁参数与共振频率的关系示意图。

图中：1-测量单元，2-Z方向位置控制器，3-数据分析模块I，4-锁相环(PLL)，5-幅值控制器，6-放大滤波器，7-前置放大器，8-微波放大器I，9-定向耦合参考器I，10-微波放大器II，11-微波放大器III，12-数据分析模块II，13-定向耦合参考器II，14-功率参考数据分析模块，15-微波源，16-数据分析模块III，17-低频振荡器，18-加法器I，19-加法器II；101-扫描筒，102-扫描筒座，103-样品位置控制器，104-样品台，105-压电陶瓷振动针尖，106-探针，107-红宝石，108-谐振腔，109-探针位置控制器，110-精密测量单元底座，111-滑动器，112-蓝宝石板，113-激光囚禁增强腔，114-样品，115-激光反射镜，116-滤波片，117-光电检测器，118-红宝石球，119-磁石，120-探针座。

具体实施方

下面结合附图对本发明的具体实施例进行详细说明。

一种微波扫描共振的固态自旋系综定位与浓度测量装置，由精密测量单元、自旋微波定位控制单元和微波扫描共振自旋浓度测量单元组成。

具体的系统框图如图1所示，自旋微波定位控制单元包括Z方向位置控制器，数据分析模块I，锁相环(PLL)，幅值控制器，放大滤波器，前置放大器。具体连接关系为，如图1所示，前置放大器7输入端与光电检测器117输出端连接、其输出端连接放大滤波器6输入端，放大滤波器6输出端并联锁相环4输入端和幅值控制器5输入端，锁相环4的输出信号一路与幅值控制器5的输出信号结合作为控制信号A反馈至测量单元1的样品位置控制器103、另一路同时输入至数据分析模块I 3和Z方向位置控制器2，所述Z方向位置控制器2输出控制信号B至测量单元1的探针位置控制器109。精密测量单元1将检测到的微弱信号输入到前置放大器7，经过前置放大器7，放大滤波器6进行放大滤波后的信号输入到锁相环(PLL)4和幅值控制器5，幅值控制器检测信号的幅值变化，并使其输出的信号保持恒定的幅值，锁相环(PLL)4对特定频率的信号进行锁相，锁相后的信号一路与幅值控制器5确定的幅值结合形成恒定的激励反馈到精密测量单元1，使探针106保持一定的频率振幅振动，另一路信号将提取出的频率变化进行数据分析模块I 3，并输入到Z方向位置控制器2，控制精密测量单元1中探针106进行Z方向的移动，使探针106与样品114之间以合适的距离进行检测。

微波扫描共振自旋浓度测量单元包括微波放大器，定向耦合参考器，数据分析模块，功率参考数据分析模块，微波源，低频振荡器。具体连接关系为，如图1所示，微波源15产生微波信号输入到定向耦合参考器I 9，所述定向耦合参考器I 9的输出信号一路输入至微波放大器I 8、另一路输入至微波放大器II 10、再一路输入至功率参考数据分析模块14，所述微波放大器I 8输出信号至谐振腔108、且反馈至微波源15；所述微波放大器II 10输出信号至定向耦合参考器II13，所述定向耦合参考器II 13与Z方向位置控制器2双向连接，所述定向耦合参考器II 13输出信号至微波放大器III 11，所述微波放大器III 11输出信号一路至数据分析模块II 12、另一路通过加法器I 18同微波放大器I 8的输出信号相加后，再次通过加法器II 19同低频振荡器17相加后输出信号至数据分析模块III 16，所述低频振荡器17输出合适的低频振荡信号至测量单元1中样品台104上的微波天线。微波源15产生一个微波信号输入到定向耦合参考器I 9进行功率参考数据分析，然后一路信号经过微波放大器I 8放大后作用到精密测量单元1中的谐振腔108，另一路信号经过微波放大器II 10放大通过定向耦合参考器II 13再通过微波放大器III 11再次放大，将二次放大信号进行数据分析模块II 12，将一次和二次放大信号同低频振荡器17产生的信号进行数据分析模块III 16，确定合适的低频振荡信号输入到精密测量单元1中样品台104的微波天线上为检测提供一个稳定的微波场环境。

精密测量单元1包括扫描筒，扫描筒座样品位置控制器，样品台，探针，谐振腔，探针位置控制器，精密测量单元底座，滑动器，激光增强腔，样品，激光反射镜，滤波片，光电检测器，磁石，探针座等等。具体连接关系为，如图2a所示，测量单元底座110上安装样品位置控制器103和探针位置控制器109；样品位置控制器103上安装样品扫描筒座102，样品扫描筒座102上安装样品扫描筒101，样品扫描筒101前端安装样品台104，所述样品台104上放置样品114，所述样品台104上位于样品114一侧放置激光囚禁增强腔113，所述样品114周围放置激光反射镜115(如图2b所示)，激光反射镜115将样品114发出的荧光聚集到一个方向经过滤波片116滤光后输入至光电检测器117；如图2c所示，探针位置控制器109上安装探针座120，探针座120上安装谐振腔108，谐振腔108同轴安装探针106，所述探针106从谐振腔108的端壁孔中伸出，探针106前端安装压电陶瓷振动针尖105；探针台120和样品台104下方分别设有磁石119。尖化后的音叉探针106同轴安装在高品质因子谐振腔108的中心导体上，探针106的压电陶瓷振动针尖105从谐振腔108的开端壁上的小孔中伸出约2mm，为了提高谐振腔108的品质因子Q、屏蔽远场因素影响，谐振腔小孔直径以刚通过探针针尖为好，材料采用镀有金属膜的红宝石107构成，金属膜厚度达到趋肤深度即可，好处是既有效的屏蔽了远场微波影响，又避免针尖与镀层间高损微同轴电缆的形成，保证共振腔的高Q值和灵敏度。探针针尖105下方的样品114通过与针尖的相互作用改变谐振腔108的有效长度和损耗，进而改变系统的共振频率和品质因素。通过压电陶瓷振动针尖105做高频振动，入射光经过样品114向各个方向散射经过光囚禁增强腔113和光反射镜115聚集到一个方向经过滤波片116滤光后由光电检测器117进行收集。具体实施时，样品和探针的位置控制实现方式为，探针座120和样品台104下方分别有两块蓝宝石板112，与精密测量单元底座110上的两个滑动器111之间分别通过红宝石球118连接，通过上述结构来进行检测过程中的微动控制。例如，现有技术中，探针台包括粗动和微动机构，粗动机构为剪切型压电陶瓷构成，具有大量程特点；微动机构由圆形压电陶瓷组成，外部与电极相连，具有高精度的特点。

给予探针恒定振幅和频率的激励，将样品分为有限多个微小区域，依次对每一个区域进行采样分析，由于不同区域内NV-浓度分布的不同，探针样品相互接近时产生的相互作用力不同，改变腔的有效长度和损耗，进而改变系统的共振频率和品质因素。将每一区域测出的探针振动频率变化输出，高速电子解算系统通过鉴相器、比较器和放大器控制频率合成，跟踪系统共振频率，并由微波二极管检波放大得到腔内的振幅，通过一系列的计算可以得到NV-的浓度分布。

另外，在进行具体检测时，极化激光：实现核自旋的极化或超极化，赋予核自旋宏观指向，是原子自旋系综的驱动机构。

检测与操控激光装置：通过激光与自旋的耦合作用，检测得到核自旋的进动状态，是角运动信号叠加到光信号的控制与检测机构，一般采用线偏振光或者圆偏振光，位置与驱动激光采用正交布局。

磁线圈：通过闭环控制产生三维磁场，降低精密测量单元的磁场波动，实现主动磁补偿，提高磁场稳定性。

磁屏蔽层：通过高导磁材料屏蔽环境磁场对原子自旋系综的影响，抑制由于外界环境磁场变化导致的检测系统误差。

无磁温控单元：利于超极化核自旋以及构造原子磁强计进行三维磁场测量。一般采用电流加热的方式，会带来额外磁场的干扰，需要采用高频交流电、严格对称空间布局等措施降低磁场影响。

光电元件：包括光学元件、光电检测元件等，对驱动和检测自旋系综的光进行精密调节与探测；

信号处理与控制单元：对系统中的光、磁、热、电灯信号进行综合处理与控制，最终完成多种原子自旋系综精密操控。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照本发明实施例进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明的技术方案的精神和范围，其均应涵盖权利要求保护范围中。

Claims (4)

1.一种微波扫描共振的固态自旋系综定位与浓度测量装置，其特征在于：包括自旋微波定位控制单元、微波扫描共振自旋浓度测量控制单元和测量单元；

所述测量单元（1）包括测量单元底座（110），所述测量单元底座（110）上安装样品位置控制器（103）和探针位置控制器（109）；所述样品位置控制器（103）上安装样品扫描筒座（102），所述样品扫描筒座（102）上安装样品扫描筒（101），所述样品扫描筒（101）前端安装样品台（104），所述样品台（104）上放置样品（114），所述样品台（104）上位于样品（114）一侧放置激光囚禁增强腔（113），所述样品（114）周围放置激光反射镜（115），所述激光反射镜（115）将样品（114）发出的荧光聚集到一个方向经过滤波片（116）滤光后输入至光电检测器（117）；所述探针位置控制器（109）上安装探针座（120），所述探针座（120）上安装谐振腔（108），所述谐振腔（108）同轴安装探针（106），所述探针（106）从谐振腔（108）的端壁孔中伸出，所述探针（106）前端安装压电陶瓷振动针尖（105）；所述探针座（120）和样品台（104）下方分别设有磁石（119）；

所述自旋微波定位控制单元包括前置放大器（7），所述前置放大器（7）输入端与光电检测器（117）输出端连接、其输出端连接放大滤波器（6）输入端，所述放大滤波器（6）输出端并联锁相环（4）输入端和幅值控制器（5）输入端，所述锁相环（4）的输出信号一路与幅值控制器（5）的输出信号结合作为控制信号A反馈至测量单元（1）的样品位置控制器（103）、另一路同时输入至数据分析模块Ⅰ（3）和Z方向位置控制器（2），所述Z方向位置控制器（2）输出控制信号B至测量单元（1）的探针位置控制器（109）；

所述微波扫描共振自旋浓度测量控制单元包括微波源（15），所述微波源（15）产生微波信号输入到定向耦合参考器Ⅰ（9），所述定向耦合参考器Ⅰ（9）的输出信号一路输入至微波放大器Ⅰ（8）、另一路输入至微波放大器Ⅱ（10）、再一路输入至功率参考数据分析模块（14），所述微波放大器Ⅰ（8）输出信号至谐振腔（108）、且反馈至微波源（15）；所述微波放大器Ⅱ（10）输出信号至定向耦合参考器Ⅱ（13），所述定向耦合参考器Ⅱ（13）与Z方向位置控制器（2）双向连接，所述定向耦合参考器Ⅱ（13）输出信号至微波放大器Ⅲ（11），所述微波放大器Ⅲ（11）输出信号一路至数据分析模块Ⅱ（12）、另一路通过加法器Ⅰ（18）同微波放大器Ⅰ（8）的输出信号相加后，再次通过加法器Ⅱ（19）同低频振荡器（17）相加后输出信号至数据分析模块Ⅲ（16），所述低频振荡器（17）输出合适的低频振荡信号至测量单元（1）中样品台（104）上的微波天线。

2.根据权利要求1所述的微波扫描共振的固态自旋系综定位与浓度测量装置，其特征在于：测量单元（1）中，所述探针（106）针尖从谐振腔（108）的端壁孔中伸出2mm。

3.根据权利要求2所述的微波扫描共振的固态自旋系综定位与浓度测量装置，其特征在于：所述端壁孔采用镀有金属膜的红宝石（107）构成，所述金属膜厚度为趋肤深度。

4.根据权利要求1或2或3所述的微波扫描共振的固态自旋系综定位与浓度测量装置，其特征在于：所述探针座（120）和样品台（104）下方分别设有两块蓝宝石板（112），所述蓝宝石板（112）与测量单元底座（110）上的滑动器（111）通过红宝石球（118）连接。