CN108181594A - 非交换量子几何相位磁强计 - Google Patents

Abstract

本发明涉及原子磁强计，具体为一种非交换量子几何相位磁强计，包括光学激发模块、信号采集模块和反馈控制模块；其中光学激发模块包括激光器、偏振片、第一凸透镜、AOM声光调制器、第二凸透镜、第三凸透镜、金刚石、微波天线、电场线以及信号发生器；信号采集模块包括放大滤波模块、锁相放大器、数据采集卡、示波器；反馈控制模块包括PLL电路、微波源和PID控制器。本发明结合MEMS技术、光激发、量子调控等前沿技术，在激光、磁场、微波多物理场作用下对NV色心自旋态能级进行调控，通过高性能光电检测技术进行荧光数量布居变化进行收集和读取，利用微波锁频技术进行信号高性能检测，研制高性能非交换量子几何相位NV色心磁强计。

Description

非交换量子几何相位磁强计

技术领域

本发明涉及原子磁强计，具体为一种非交换量子几何相位磁强计。

背景技术

原子磁强计是利用原子在磁场中分裂出的塞曼能级跃迁所构成的一种量子仪器。它们的精确度高于经典磁强计两个数量级以上，测量范围上起25T下至10^-14T,几乎覆盖了现今所能获得的磁场范围。

塞曼能级跃迁在磁共振的经典解释中可以看作自旋磁矩在磁场中的进动。塞曼跃迁频率在磁共振中称拉莫尔(Larmor)进动频率。ω_L＝γH，式中ω_L为拉莫尔频率，γ为样品的磁旋比，对于一定的自旋粒子是一个常数，H为被测磁场。可由测量频率而精确测量磁场，因而大大提高了磁场测量的精度。当自旋粒子为电子时称电子自旋共振或称电子顺磁共振，自旋粒子为原子时称核磁共振。两者都能用来测量磁场。由于电子质量比核质量小上千倍,共振频率也高上千倍。因此用电子顺磁共振测大磁场时,频率在微波段,装置比较复杂。而测小磁场时,由于线宽太大而不能得到高的精度。故在磁场测量中广泛应用的是核磁共振。

通用的磁强计技术主要有以下分类：基于密闭气室的碱金属-惰性气体原子磁强计(气态磁强计)，SQUID磁强计以及基于固态自旋的磁强计。

气态磁强计由密闭气室的碱金属和惰性气体原子组成核心单元，当受到外部光束照射时，内部原子完成光泵浦过程，吸收能量向高能级跃迁，经一段时间以后回落至低能态。在这个过程中，如果有外部场作用，能级发生偏移，通过透射光的旋转偏振态变化测量得到外部场的变化。这种磁强计又分为标量原子磁强计和SERF(无自旋交换弛豫)磁强计，气态磁强计的优点是灵敏度高(迄今已经达到0.54fTHz^-1/2)。

基于电学的磁强计：超高量子干涉仪磁强计(SQUID)：由Josephson结组成的超导环构成。SQUID分为射频、直流和弛豫型SQUID组成。SQUID磁强计的优点是噪声低，低频端为1/f噪声，在1kHz的噪声水平<10fTHz^-1/2,低温情况下变为白噪声(4.2K)。

扫描霍尔探针磁强计：通过由二维电子气材料经过标准半导体加工组成的霍尔传感器检测隧道电流的变化感知外部磁场。同时运用扫描的方法构建三维磁成像。该方法能够提供非常高的空间分辨率(300nm)，在很宽的温度范围(1mK-500K)能够得到比较好的磁场灵敏度。

基于固态自旋的磁强计：主要有使用扫描探针技术的磁共振力显微镜，它的主要部件为镀了铁磁性探针的针尖。当探针接近材料表面时，由于产生磁场梯度，探针针尖与材料表面之间产生微小力(10G nm^-1)。当自旋方向做周期跳动时，探针振动发生变化，反映自旋的变化，振动振幅通过激光干涉仪读出。该方法的磁场检测灵敏度由探针热噪声决定。噪声功率谱密度为κ，ω₀，Q分别为探针弹性系数，共振频率和品质因子。检测针尖位移的悬臂梁反射造成的光子散粒噪声远远小于热噪声，可以忽略。此外，核自旋集群磁化的统计学涨落表示为N为自旋数量，该参数也是影响磁测灵敏度的因素之一。MRFM的空间分辨率与磁场梯度成正比，随被测物尺寸的增大而降低。探针针尖足够小的情况下，MRFM的分辨率可以轻松达到10nm。

巨磁阻/异向性磁阻磁强计：基于巨磁阻效应，在两个铁磁层中间夹一层超薄的非磁导体，由于反铁磁交换作用力，这几层的磁矩方向相反。在自旋作用下，电子散射急剧增加，层间非磁导体电阻激增，接近绝缘体。此时，加外部磁场，两层铁磁层的磁矩排成一定方向，层间电阻急剧减小。该方法能达到的磁场灵敏度约为1nT/Hz^-1/2，常温下的分辨率为mm级，在微机电系统及硅基集成电路加工工艺中有广泛的应用。

NV金刚石磁强计：通常基于自旋的磁强计分辨率都很高，但为了克服该类磁强计工作在低温条件的限制，只能应用固态自旋体系。与金刚石NV色心有关的电子自旋相干时间长、能够在常温和大气环境下读出等优点，NV金刚石磁强计变得越来越有吸引力。NV色心的基态能级在外部磁场作用下发生迁移，通过光探测磁共振(ODMR)以应光谱密度变化的形式读出偏移量。与原子气室磁强计中的类似，NV色心得到的旋进相位正比于外部磁场，相位投影为布居数差值。因此，信号可以用以下正弦形式给出f(B)～cos(γBτ),γ为磁旋比，τ为旋进时间，响应率R∝(γτ)^-1，单位为[T^-1]。受限于光子散粒噪声，NV磁强计灵敏度N为参与磁场感应的NV色心的数量。实际中，散粒噪声修正为由上述公式可以看出，散粒噪声还受到其它因素限制，比如初始化和读出时间τ_i/r等。想要达到或者突破海森堡极限，有几种方法，比如量子相位估计方法或者非经典态方法等。由于NV磁强计的高空间分辨率，比较好的灵敏度、室温操作等优点，在生物磁检测、凝聚态物理等场合有广泛应用，而空间分辨率、成像速度、动态范围等技术限制可以通过多种方法克服。

NV金刚石磁强计检测原理：

金刚石中的氮空位(NV)色心，如图1所示，是由一个氮原子取代了一个碳原子并且捕获周围的一个空穴形成的稳定结构，其结构具有C_3V对称性。常用的NV色心为带一个单位负电荷的NV^-1(以下简称NV色心)。

NV色心的精细能级与超精细能级结构如图2所示。基态为自旋三重态(S＝1)，在无外部磁场作用时，m_s＝±1是简并的，m_s为S沿对称轴方向的投影有关的量子数。由于自旋-自旋的作用，m_s＝0与m_s＝±1之间的零场分裂为D＝2.87GHz。当沿NV轴方向施加B_Z磁场时，基态能级会产生一个m_sg_sμ_bB_Z的能量偏移，其中g_s≈2为电子的朗德因子，μ_B＝8.79rad/s/G为波尔磁子。由于¹⁴N的作用，NV色心核自旋(I＝1)的超精细能级对电子能级的耦合会产生另外的能级劈裂，在外磁场的作用下可以产生对应的能量偏移。

利用NV色心的自旋跃迁实现共振微波场的检测，通常微波场强度是线偏振场，可以分解为左右圆偏振场的和，哈密顿量可以表示为：其中，gμ_B/h是微波频率与Zeeman能级的偏离。借助高效的微波馈送机构，可以提高微波辐射场性能，提高磁场检测灵敏度。

发明内容

本发明主要针对目前原子磁强计响应速度慢且响应随检测时间变化、温度漂移大等缺点，基于NV色心对称轴四个方向非交换几何相位敏感磁场的特性，提出了一种基于非交换量子几何相位(Non-abelian quantum geometric phase)磁强计。

本发明是采用如下的技术方案实现的：非交换量子几何相位磁强计，包括光学激发模块、信号采集模块和反馈控制模块；其中光学激发模块包括激光器、偏振片、第一凸透镜、AOM声光调制器、第二凸透镜、第三凸透镜、金刚石、微波天线、电场线以及信号发生器；信号采集模块包括放大滤波模块、锁相放大器、数据采集卡、示波器；反馈控制模块包括PLL电路模块、微波源和PID控制器；激光器的光路上依次设置有偏振片、第一凸透镜、AOM声光调制器、第二凸透镜、第三凸透镜，第三凸透镜正对着NV色心的金刚石，金刚石设置在边收集装置上，该边收集装置包括两片滤波片，金刚石夹在两片滤波片之间，滤波片的外侧还与光电二极管接触，在金刚石上溅射有与金刚石接触的微波天线和电场线，光电二极管和放大滤波模块连接，放大滤波模块和锁相放大器连接，锁相放大器的输出端分别和PLL电路模块、数据采集卡和示波器连接，PLL电路模块的输出端和PID控制器连接，PID控制器和微波源连接，信号发生器输出端分别和锁相放大器、微波源连接，微波源输出端通过同轴电缆和微波天线连接。

激光器用来发生所需532nm激光，通过各类光学玻片照射在含有集群NV色心的金刚石上，金刚石产生荧光信号，荧光信号通过光电二极管转换为微弱电信号，通过放大滤波模块之后进入锁向放大器解调，一路通过示波器读取荧光信号电压值、一路由数据采集卡进行数据采集，另外一路进入PLL电路模块和PID控制器，当外部磁场改变时，由反馈电路控制微波源，改变扫描中心频率，并通过数据采集卡分析相关信号、计算磁场改变值。

本发明结合MEMS(微机电系统)技术、光激发、量子调控等前沿技术，在激光、磁场、微波多物理场作用下对NV色心自旋态能级进行调控，通过高性能光电检测技术进行荧光数量布居变化进行收集和读取，利用微波锁频技术进行信号高性能检测，研制高性能非交换量子几何相位NV色心磁强计。

附图说明

图1为NV色心原子结构示意图。

图2为NV色心的精细能级与超精细能级结构示意图。

图3为本发明的结构示意图。

图4为微波天线示意图。

图5为边收集结构示意图。

图6为金刚石NV色心非交换量子几何相位实验脉冲序列图。

图中：1-激光器；2-偏振片；3-第一凸透镜；4-AOM声光调制器；5-第二凸透镜；6-第三凸透镜；7-边收集模块；8-金刚石；9-微波天线；10-放大滤波模块；11-锁相放大器；12-信号源；13-微波源；14-示波器；15-数据采集卡；16-PLL电路模块；17-PID控制电路；18-电场线，19-滤波片，20-光电二极管，21-空气边界。

具体实施方式

非交换量子几何相位磁强计，包括光学激发模块、信号采集模块和反馈控制模块；其中光学激发模块包括激光器1、偏振片2、第一凸透镜3、AOM声光调制器4、第二凸透镜5、第三凸透镜6、金刚石8、微波天线9、电场线18以及信号发生器12；信号采集模块包括放大滤波模块10、锁相放大器11、数据采集卡14、示波器15；反馈控制模块包括PLL电路模块16、微波源13和PID控制器17；激光机1的光路上依次设置有偏振片2、第一凸透镜3、AOM声光调制器4、第二凸透镜5、第三凸透镜6，第三凸透镜6正对着NV色心的金刚石8，金刚石8设置在边收集装置7上，该边收集装置包括两片滤波片19，金刚石8夹在两片滤波片19之间，滤波片19的外侧还与光电二极管20接触，在金刚石8上溅射有与金刚石接触的微波天线9和电场线18，光电二极管20和放大滤波模块10连接，放大滤波模块10和锁相放大器11连接，锁相放大器11的输出端分别和PLL电路模块16、数据采集卡14和示波器15连接，PLL电路模块16的输出端和PID控制器17连接，PID控制器17和微波源13连接，信号发生器12输出端分别和锁相放大器11、微波源13连接，微波源13输出端通过同轴电缆和微波天线9连接。

AOM声光调制器4用于控制激光通断，边收集装置7安装在三轴亥姆霍兹线圈内的金刚石支架上，边收集装置7安装含有集群NV色心的金刚石8，微波源13与信号发生器12通过混频器调制共同作用于微波天线9。所述金刚石支架上位于金刚石四周安装光电二极管用来收集荧光信号。

本发明的NV色心磁强计测试方法如下：

多重路径的几何相位变化是非交换性的，基于非交换几何相位(Non-abeliangeometric phase)的NV色心磁强计对磁场的变化非常敏感，同时有清晰的方向指向。因此，利用NV色心自旋的非交换几何相位积累实现外部磁场测量。在本方法中，NV对称轴转动引起NV^-电子基态±1能级的频率迁移、相位变化与对称轴固态角偏转量成正比，同时该非交换几何相位通过外部序列操控实现高精度测量。

通过Ramsey型干涉序列实现非交换量子几何相位积累测量，从而实现高灵敏度磁场测量，振动磁场脉冲如图6MW坐标图所示(π/2--π--π/2)。在外部磁场B作用下，沿量子化轴NV自旋态自由演化哈密顿量为：Ω为拉比频率，ρ为驱动场相位，σ＝(σ_x,σ_y,σ_z)泡利自旋矢量。通过对相位进行扫频，拉莫尔矢量可以表示为R(t)＝(sinθcosρ+sinθcosρ+cosθ)(2)，其中，cosθ＝γB/(Ω²+(γB)²)^1/2，绕z轴旋转。布洛赫矢量s(t)绕该拉莫尔矢量旋进。假如旋转是绝热的(绝热参数表示为)，系统获得的几何相位与固态角呈正比Θ＝2π(1-cosθ)(3)，综合考虑相位的旋转次数N和轨迹，可以在每个自旋回声序列(π/2--π--π/2)周期中插入两次相位旋转，交替改变旋转的方向，几何相位可以加倍：φ_g＝2NΘ (4)。

通过回声操作可以将动态相位抵消，从而得到荧光布居信号变为从上式可以看出，荧光布居随外部磁场作用振荡，在一特定场时布居处于常值P_meas。同时，通过确定上式的导数dP/dB与斜率可知，两者随B值增大逐渐趋近于常值(1)和0。此时，定义随磁场变化的动态范围最小值可以表示为B_max∝ΩN^1/2T⁰，系统的最佳灵敏度为η∝Ω^-1NT^1/2，通过叠加一个相位微扰，可以实现将态混合场跃迁频率调制到磁强计信号的最大斜率处，从而实现信号的最大化检测与输出。

金刚石NV色心非交换量子几何相位实验脉冲序列如图6所示。使用532nm激光器照射金刚石表面，这样NV色心就被激发到|m_s＝0，m_s＝+1>态，实现了初始化。初始化后关闭激光光源，此时施加一个脉冲，|m_s＝0，m_s＝+1>与|m_s＝0，m_s＝-1>基态次能级系统建立了相干态，两精细能级跃迁的共振频率为。经过时间t₁的自旋自由演化后，超精细能级间的耦合以及NV色心与外部磁场引起核塞曼分裂和几何相位积累。此时施加一个π脉冲，NV色心中电子在两能级之间进行相干布居振荡，延长了该几何相位积累时间。然后施加第二个脉冲，将相干态激发回到¹⁴N赛曼次能级布居，此时施加微波脉冲，调制频率到产生¹⁴N精细能级跃迁所需的频率，选择性读出现在状态光子的信息。

Claims (1)

1.非交换量子几何相位磁强计，其特征在于包括光学激发模块、信号采集模块和反馈控制模块；其中光学激发模块包括激光器（1）、偏振片（2）、第一凸透镜（3）、AOM声光调制器（4）、第二凸透镜（5）、第三凸透镜（6）、金刚石（8）、微波天线（9）、电场线（18）以及信号发生器（12）；信号采集模块包括放大滤波模块（10）、锁相放大器（11）、数据采集卡（14）、示波器（15）； 反馈控制模块包括PLL电路模块（16）、微波源（13）和PID控制器（17）；激光机（1）的光路上依次设置有偏振片（2）、第一凸透镜（3）、AOM声光调制器（4）、第二凸透镜（5）、第三凸透镜（6），第三凸透镜（6）正对着NV色心的金刚石（8），金刚石（8）设置在边收集装置（7）上，该边收集装置包括两片滤波片（19），金刚石（8）夹在两片滤波片（19）之间，滤波片（19）的外侧还与光电二极管（20）接触，在金刚石（8）上溅射有与金刚石接触的微波天线（9）和电场线（18），光电二极管（20）和放大滤波模块（10）连接，放大滤波模块（10）和锁相放大器（11）连接，锁相放大器（11）的输出端分别和PLL电路模块（16）、数据采集卡（14）和示波器（15）连接，PLL电路模块（16）的输出端和PID控制器（17）连接，PID控制器（17）和微波源（13）连接，信号发生器（12）输出端分别和锁相放大器（11）、微波源（13）连接，微波源输出端通过同轴电缆和微波天线（9）连接。