CN108519564B - 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 - Google Patents

Abstract

本发明方法是基于金刚石NV色心的自旋三重态电子基态在不同磁场条件下，采用金刚石NV色心作为敏感元件，利用532nm的激光激发NV色心，同时外加微波让NV色心发出荧光，进而得到ODMR光谱。从谱中能够提取出三对明显的塞曼分裂峰值，测量每对峰值之间的共振频率差，这3个不同的频率差来自三个不同的NV方向，而且这3个频率差值的大小与磁场强度沿着NV色心中的3个对称轴的投影成正比，并且有这3个取向就足以提取出磁场的三个分量，这就是该状态下总场强。所测量的磁化坡莫合金的弱磁场是由总场强减去外加已知的磁场得到的。进而实现基于金刚石NV色心局部自旋三重态电子基态的弱磁场的检测。

Description

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

技术领域

本发明涉及量子传感器领域，具体是一种基于金刚石NV色心的局部自旋三重态电子基态的弱磁场检测系统及方法。

背景技术

弱磁探测，如地磁场的精确测量，在航天、航空、航海导航以及远程精确制导等方面有重要意义。目前测量弱磁场的超灵敏度磁力仪有超导量子干涉仪、质子磁力仪、霍尔探针扫描显微镜、磁力显微镜、等，但需要在特定条件(如低温和高真空等)下进行，且成本较高。

研究发现，鸟类的视网膜、蝾螈的松果体、蜜蜂的腹部等器官内含有磁感应源。“三叉神经假说”和“自由基对机制（RPM）”是解释鸟类感磁原因的两个主流假说之一，“量子Zeno效应”解释了自由基对反应对于磁场的依赖性；又进一步探讨了自由基对的量子控制和纠缠的作用；受这一假说启发，提出了用推广的Holstein模型来描述这样一类依赖于自旋的化学反应，这对于弱磁场精确测量技术的发展具有重要借鉴意义。

金刚石氮空位（NV）色心的电子基态是一种自旋三重态系统，且具有易于初始化、易于读取、易于操控、相干时间长、常温操作等优点，这使得NV色心系统成为有望实现量子信息处理和量子计算的候选者之一。NV色心系统的一个应用方向是作为高灵敏度探针进行弱磁场的精确测量。已有研究将NV色心系统用于蛋白质分子中的单个核自旋的弱磁测量，但对于静态弱磁场的精确测量则鲜少报道。

发明内容

金刚石NV色心有四个晶向，如果把[111]晶向作为标准轴，沿该轴向施加磁场、微波并用激光照射NV色心，测量此时的光探测磁共振光谱（Optically Detected MagneticResonance spectrum，ODMR光谱）。当改变所施加磁场的大小和方向时，在共振频率下的ODMR谱中有不同强度的荧光峰对出现。根据这个现象，提出了一种探测弱磁场的新方法。

本发明是采用如下技术方案实现的：

一种基于金刚石NV色心的三轴固态原子磁传感器（弱磁场检测系统），包括信号源、微波器、圆形微波天线、磁场装置、金刚石NV色心、激光器、数字示波器、锁相放大器、滤光器、平凸镜、光电探测器和二向色镜。

所述激光器发出的激光经二向色镜后照射到金刚石的NV色心，所述微波器产生的微波通过圆形微波天线发射并作用于金刚石的NV色心上，所述磁场装置施加磁场于金刚石的NV色心上；所述金刚石的NV色心的激发后产生的荧光经过二向色镜、平凸镜、滤光片后被光电探测器收集，所述光电探测器输出电信号至示波器。

所述微波源和光电探测器的输出端分别与锁相放大器的输入端连接，所述锁相放大器的输出端与示波器的输入端连接。

一种基于金刚石NV色心的三轴固态原子磁场检测方法，包括如下步骤：

（1）、激光器发出的激光经二向色镜后照射到没有嵌入坡莫合金的金刚石上并对NV色心起到极化作用；微波器产生的微波通过圆形微波天线发射，并由磁场装置施加磁场，两者共同在金刚石的NV色心上，NV色心的激发态电子将与微波发生共振并发出600nm～800nm的荧光，荧光经过二向色镜、平凸镜、滤光片后被光电探测器收集，在数字示波器上显示出ODMR光谱，使用锁相放大器提取出三对明显的塞曼分裂峰，得到金刚石中没有坡莫合金时的ODMR光谱，并将其作为参考；

（2）、采用上述同样的方式测量装有坡莫合金的金刚石的ODMR光谱，并从中提取出三对明显的塞曼分裂峰值；

（3）、将金刚石的四面体方向转化为笛卡尔坐标，测量每对峰值之间的共振频率差，这3个不同的频率差来自金刚石三个不同的NV方向，而且这3个频率差值的大小与磁场强度沿着NV色心中的3个对称轴的投影成正比，并且提取出磁场在笛卡尔坐标下的三个分量，这就是该状态下总场强的大小；

磁化的坡莫合金磁场的大小是由总场强的大小减去外加已知磁场的大小得到；磁化的坡莫合金磁场的方向由该值的正负决定，若是正值，表明由磁化的坡莫合金产生的磁场的方向和已知磁场的方向相同，若是负值，则表明由磁化的坡莫合金产生的磁场的方向和已知磁场的方向相反；

最终得到笛卡尔坐标系中该状态下磁化的坡莫合金磁场的大小和方向，进而实现基于金刚石NV色心局部自旋三重态电子基态的弱磁场的检测。

工作过程中，用532nm激光照射金刚石NV色心，同时施加特定频率的微波，对于NV色心，没有施加磁场时只有1个荧光强度峰值，外加磁场后，由于塞曼效应，NV色心的能级会发生分裂，从而一共出现3对荧光强度峰值，也就是3对塞曼分裂峰。施加已知磁场，测量金刚石中没有坡莫合金时的ODMR光谱，并将其作为参考。接着测量装有坡莫合金的ODMR光谱，从中能够提取出三对明显的塞曼分裂峰值，测量每对峰值之间的共振频率差，这3个不同的频率差来自金刚石三个不同的NV方向，而且这3个频率差值的大小与磁场强度沿着NV色心中的3个对称轴的投影成正比，并且有这3个取向就足以提取出磁场的三个分量，这就是该状态下总场强的大小。磁化的坡莫合金磁场的大小由总场强的大小减去外加已知磁场的大小得到；磁化的坡莫合金磁场的方向由该值的正负决定的，进而实现基于金刚石NV色心局部自旋三重态电子基态的弱磁场的检测。

本发明方法对研制新一代基于金刚石NV色心的弱磁场探测传感器有着重要的意义和价值，将服务于未来各个领域，特别在航天、航空、航海导航以及远程精确制导等方面有重要意义。

附图说明

图1表示基于金刚石NV色心弱磁场检测的工作流程图。

图2表示金刚石NV色心坐标系的建立。

图3表示基于金刚石NV色心的弱磁场检测系统图。

图中：1-信号源，2-微波器，3-圆形微波天线（坡莫合金），4-磁场装置，5-（NV色心）金刚石，6-激光器，7-数字示波器，8-锁相放大器，9-磁屏蔽，10-滤光器，11-平凸镜，12-光电探测器，13-二向色镜。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施例进行详细说明。

如图2所示，金刚石NV色心坐标系的建立，NV坐标轴是沿着四个四面体晶向中的任 何一个，两个对称轴位于（110）平面上，另两个位于（

）平面上。通过简单的几何参数，将 金刚石的四面体方向转化为笛卡尔坐标（X、Y、Z轴），方便信号处理。

如图3所示，基于金刚石NV色心弱磁场检测的系统，由信号源1、微波器2、圆形微波天线3（坡莫合金）、磁场装置4、（NV色心）金刚石5、激光器6、数字示波器7、锁相放大器8、磁屏蔽9、滤光器10、平凸镜11、光电探测器12和二向色镜13组成。

激光器6发出的激光经二向色镜13后照射到金刚石5的NV色心，微波器2产生的微波通过圆形微波天线3发射并作用于金刚石5的NV色心上，磁场装置4施加磁场于金刚石5的NV色心上；金刚石5的NV色心的激发后产生的荧光经过二向色镜13、平凸镜11、滤光片10后被光电探测器12收集，光电探测器12输出电信号至示波器7；微波源1和光电探测器12的输出端分别与锁相放大器8的输入端连接，锁相放大器8的输出端与示波器7的输入端连接；在数字示波器7上显示出ODMR光谱，使用锁相放大器8提取出需要的三对明显的塞曼分裂峰。圆形微波天线3、磁场装置4、滤光器10、平凸镜11、光电探测器12和二向色镜13位于磁屏蔽9中。

在金刚石5基底上嵌入直径为50μm的圆形微波天线3，用以定义磁感应区域，在厚度为60nm的平板金刚石NV色心的圆形微波天线中心处，热蒸发出正方形的沉孔，用以嵌入坡莫合金，实验中一共用到两块金刚石，唯一的区别是有没有嵌入坡莫合金。

其中，信号源是用来产生微波器和锁相放大器所需的输入信号；微波器是用来产生生成荧光所需的特定频率的微波；圆形微波天线为微带天线；磁场装置是用来产生各种磁场；金刚石NV色心是采用微纳加工工艺对金刚石进行加工而成，该工艺能够增加金刚石中NV色心的浓度；数字示波器是用来显示ODMR光谱和保存实验数据；锁相放大器是用来提高信噪比，确保测出需要的信号的相位和幅值；磁屏蔽是将该测量系统放到没有磁干扰的环境下进行实验；滤光片是为了滤除荧光波段以外的杂散光；平凸镜是为了汇聚荧光；光电探测器是为了收集荧光信号并将其转化为电信号，方便后期的信号处理；二向色镜是为了保证激光完全反射照在金刚石NV色心上，同时保证只有荧光被光电探测器收集。

一种基于金刚石NV色心的三轴固态原子磁场检测方法，包括如下步骤：

（1）、半导体激光器6发出的532nm激光经二向色镜13后照射到没有嵌入坡莫合金的金刚石5上并对NV色心起到极化作用；微波器2产生的微波通过圆形微波天线3发射，并由磁场装置4施加磁场，两者共同在金刚石5的NV色心上，NV色心的激发态电子将与微波发生共振并发出600nm～800nm的荧光，荧光经过二向色镜13、平凸镜11、滤光片10后被光电探测器12收集，在数字示波器7上显示出ODMR光谱，使用锁相放大器8提取出三对明显的塞曼分裂峰，得到金刚石中没有坡莫合金时的ODMR光谱，并将其作为参考值；

（2）、采用上述同样的方式测量装有坡莫合金的金刚石的ODMR光谱，并从中提取出三对明显的塞曼分裂峰值，与参考值相比获得每对峰值之间的共振频率差；

（3）、将金刚石的四面体方向转化为笛卡尔坐标（如图2所示的X、Y、Z轴），测量每对峰值之间的共振频率差，这3个不同的频率差来自金刚石三个不同的NV方向，而且这3个频率差值的大小与磁场强度沿着NV色心中的3个对称轴的投影成正比，并且有这3个取向就足以提取出磁场在笛卡尔坐标下的三个分量，这就是该状态下总场强的大小；

磁化的坡莫合金磁场的大小是由总场强的大小减去外加已知磁场的大小得到；磁化的坡莫合金磁场的方向由该值的正负决定，若是正值，表明由磁化的坡莫合金产生的磁场的方向和已知磁场的方向相同，若是负值，则表明由磁化的坡莫合金产生的磁场的方向和已知磁场的方向相反；

最终得到笛卡尔坐标系中该状态下磁化的坡莫合金磁场的大小和方向，进而实现基于金刚石NV色心局部自旋三重态电子基态的弱磁场的检测。

这就是基于金刚石NV色心的三轴弱磁的测量方法、实施过程以及所用到的测量系统。

以上仅为该测量方法的实现方案，但并不局限于此。任何以本方法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，所做出的简单变化、等同替换或者修饰等，均在本方法的保护范围内。

Claims (1)

1.一种基于金刚石NV色心的三轴固态原子磁场检测方法，该方法在基于金刚石NV色心的三轴固态原子磁传感器中实现，所述基于金刚石NV色心的三轴固态原子磁传感器包括信号源（1）、微波器（2）、圆形微波天线（3）、磁场装置（4）、金刚石NV色心（5）、激光器（6）、数字示波器（7）、锁相放大器（8）、滤光器（10）、平凸镜（11）、光电探测器（12）和二向色镜（13）；所述激光器（6）发出的激光经二向色镜（13）后照射到金刚石（5）的NV色心，所述微波器（2）产生的微波通过圆形微波天线（3）发射并作用于金刚石（5）的NV色心上，所述磁场装置（4）施加磁场于金刚石（5）的NV色心上；所述金刚石（5）的NV色心的激发后产生的荧光经过二向色镜（13）、平凸镜（11）、滤光片（10）后被光电探测器（12）收集，所述光电探测器（12）输出电信号至示波器（7）；所述微波源（1）和光电探测器（12）的输出端分别与锁相放大器（8）的输入端连接，所述锁相放大器（8）的输出端与示波器（7）的输入端连接；

其特征在于：包括如下步骤：

（1）、激光器（6）发出的激光经二向色镜（13）后照射到没有嵌入坡莫合金的金刚石（5）上并对NV色心起到极化作用；微波器（2）产生的微波通过圆形微波天线（3）发射，并由磁场装置（4）施加磁场，两者共同在金刚石（5）的NV色心上，NV色心的激发态电子将与微波发生共振并发出600nm～800nm的荧光，荧光经过二向色镜（13）、平凸镜（11）、滤光片（10）后被光电探测器（12）收集，在数字示波器（7）上显示出ODMR光谱，使用锁相放大器（8）提取出三对明显的塞曼分裂峰，得到金刚石中没有坡莫合金时的ODMR光谱，并将其作为参考；

（2）、采用上述同样的方式测量装有坡莫合金的金刚石的ODMR光谱，并从中提取出三对明显的塞曼分裂峰值；

（3）、将金刚石的四面体方向转化为笛卡尔坐标，测量每对峰值之间的共振频率差，这3个不同的频率差来自金刚石三个不同的NV方向，而且这3个频率差值的大小与磁场强度沿着NV色心中的3个对称轴的投影成正比，并且提取出磁场在笛卡尔坐标下的三个分量，这就是该状态下总场强的大小；

磁化的坡莫合金磁场的大小是由总场强的大小减去外加已知磁场的大小得到；磁化的坡莫合金磁场的方向由该值的正负决定，若是正值，表明由磁化的坡莫合金产生的磁场的方向和已知磁场的方向相同，若是负值，则表明由磁化的坡莫合金产生的磁场的方向和已知磁场的方向相反；

最终得到笛卡尔坐标系中该状态下磁化的坡莫合金磁场的大小和方向，进而实现基于金刚石NV色心局部自旋三重态电子基态的弱磁场的检测。

Images