CN108844987A - 基于金刚石nv色心自旋磁共振效应的微位移测量系统及方法 - Google Patents

基于金刚石nv色心自旋磁共振效应的微位移测量系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于金刚石NV色心自旋磁共振效应的微位移测量系统，包括金刚石（1），永磁体（2），PCB天线（3），信号源（4），微波源（5），锁相放大器（6），数字示波器（7），光电探测器（8），激光器（9），二向色镜（10），物镜（11），平凸镜（12），滤光片（13）及位移台（14）。同时利用电子自旋效应对磁梯度场的高精度敏感机理，结合磁梯度场与微位移之间的关系，发明了一种应用金刚石氮空位色心的电子自旋敏感磁机理的微位移测量方法。

Description

基于金刚石NV色心自旋磁共振效应的微位移测量系统及方法
技术领域
本发明涉及量子传感领域，具体是一种基于金刚石NV色心自旋磁共振效应的微位移测量系统及方法。
背景技术
原子力显微系统、扫描探针显微系统等精密测量仪器通过其纳米级扫描探针装置，能够实现纳米操控和对纳米区域、纳米结构的表面探测。随着纳米科技、精密探测等技术的不断发展，基于高分辨率、高精度微位移测量系统的纳米级扫描探针技术在表面科学、材料科学、生命科学等各个领域发挥着越来越重要的作用。
目前，高分辨率、高精度微位移测量系统主要采用压电陶瓷、微机械结构应力反馈等方法来实现探针系统微位移的精密测量与控制。Liu等采用压电陶瓷结构的微驱动特性，利用FPGA电压反馈控制方法，研制了高分辨率的微位移测量系统，分辨率达到30nm。但由于压电陶瓷迟滞、蠕变、非线性的问题，限制了分辨率的提高。Ito等利用Cr-N薄膜结构的高灵敏度应力敏感特性，结合微机械结构微位移作用下的应力反馈检测，实现的对20nm分辨率的微位移检测。Gather等采用微机械弹性共振结构在微位移作用下产生的应力来反馈检测微位移大小，实现了对2nm大小的微位移高分辨率检测。然而受限于微机械结构的加工工艺复杂、工艺误差大、重复性差等问题，使其测量分辨率难以进一步提升。因此，需要新型技术来打破传统微位移测量的发展瓶颈。
发明内容
本发明目的是鉴于金刚石NV色心自旋磁共振效应，利用金刚石氮空位色心自旋结构对磁梯度场的高精度敏感机理，结合永磁体周围不同位置对应的磁场强度变化关系，提出一种量子技术新领域的超高测量精度的微位移测量方法。
本发明是采用如下技术方案实现的：
一种基于金刚石NV色心自旋磁共振效应的微位移传感装置，包括金刚石，永磁体，PCB天线，信号源，微波源，锁相放大器，示波器，激光器，光电探测器，光路，磁屏蔽及位移台。
所述位移台的固定单元上安放有物镜和金刚石，所述金刚石位于物镜的焦点处，所述金刚石位于PCB天线中心；所述位移台的移动单元上安放永磁体。
所述激光器发出的激光通过二向色镜射向物镜后照射金刚石；所述金刚石发出的荧光依次通过物镜、二向色镜、平凸镜、滤光片进入光电探测器进行荧光信号采集；所述光电探测器输出两路信号，一路直接输入数字示波器用于观测ESR荧光信号，另一路通过锁相放大器输入数字示波器得到对应的解调曲线。
所述信号源发出信号并分成两路，一路信号进入微波源，用于对所发出的微波信号进行调制，另一路作为参考信号进入锁相放大器。
所述微波源产生的微波通过PCB天线发射，作用在金刚石的NV色心上。
所述金刚石、永磁体、PCB天线、光电探测器、二向色镜、物镜、平凸镜、滤光片及位移台处于磁屏蔽中。
所述金刚石采用微纳加工工艺对金刚石进行加工，增加金刚石中NV色心的浓度；所述永磁体为圆柱形状；所述PCB天线为微带天线。
微位移传感装置工作流程如下：
（1）、测试中信号源发出信号，并分成两路，其中一路信号进入微波源，对所发出的微波信号进行调制；另一路作为参考信号进入锁相放大器；
（2）、激光器采用532nm激光通过二向色镜和物镜照射金刚石，对金刚石内的NV色心起到极化作用；
（3）、微波源产生的微波通过PCB天线发射，作用在金刚石NV色心上，用于诱导金刚石NV色心的自旋翻转；
（4）、物镜收集金刚石1发出的荧光，依次通过物镜、二向色镜、平凸镜、滤光片后，应用光电探测器进行荧光信号的采集；
（5）、光电探测器的荧光信号分两路输出，一路直接输入数字示波器用于观测ESR荧光信号；另一路通过锁相放大器输入数字示波器，应用锁频电路对荧光信号进行处理后得到对应的解调曲线；
（6）、鉴于金刚石NV色心自旋磁共振效应，利用金刚石氮空位色心自旋结构对磁梯度场的高精度敏感机理，结合永磁体周围不同位置对应的磁场强度变化关系。在数字示波器中应用解调曲线，通过调整位移台上的永磁体的位置，测试得到电压值与永磁体微位移之间的对应关系曲线，进而实现对永磁体的微位移测量。
目前，高分辨率、高精度微位移测量系统主要采用压电陶瓷、微机械结构应力反馈等方法来实现探针系统微位移的精密测量与控制等。但由于压电陶瓷迟滞、蠕变、非线性的问题，限制了分辨率的提高，而采用微机械机构力反馈来实现位移监测的方法，受限于微机械结构的加工工艺复杂、工艺误差大、重复性差等问题，使其测量分辨率难以进一步提升。该方法分辨率高，且系统简易、成本低，有望能够达到亚纳米级水平，为超高分辨率微位移测量系统提供了新的研究思路。
附图说明
图1表示金刚石色心自旋磁共振效应的微位移测量系统结构。
图2表示微位移传感装置工作流程图。
图中：1-金刚石，2-永磁体，3-PCB天线，4-信号源，5-微波源，6-锁相放大器，7-数字示波器，8-光电探测器，9-激光器，10-二向色镜，11-物镜，12-平凸镜，13-滤光片，14-位移台，15-磁屏蔽。
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。
一种基于金刚石NV色心自旋磁共振效应的微位移测量系统，如图1所示，包括金刚石1，永磁体2，PCB天线3，信号源4，微波源5，锁相放大器6，数字示波器7，光电探测器8，激光器9，二向色镜10，物镜11，平凸镜12，滤光片13及位移台14。
如图1所示，位移台14的固定单元上安放有物镜11和金刚石1，金刚石1位于物镜11的焦点处，同时金刚石1位于PCB天线3的中心处；位移台14的移动单元上安放永磁体2。
如图1所示，激光器9发出的激光通过二向色镜10射向物镜11后照射金刚石1；金刚石1发出的荧光依次通过物镜11、二向色镜10、平凸镜12、滤光片13进入光电探测器8进行荧光信号采集；光电探测器8输出两路信号，一路直接输入数字示波器7用于观测ESR荧光信号，另一路通过锁相放大器6输入数字示波器7得到对应的解调曲线。
如图1所示，信号源4发出信号并分成两路，一路信号进入微波源5，用于对所发出的微波信号进行调制，另一路作为参考信号进入锁相放大器6。
如图1所示，微波源5产生的微波通过PCB天线3发射，作用在金刚石1的NV色心上。
如图1所示，金刚石1、永磁体2、PCB天线3、光电探测器8、二向色镜10、物镜11、平凸镜12、滤光片13及位移台14处于磁屏蔽15环境中。
其中，永磁体2为圆柱形状，其材料为N35烧结钕铁硼，沿轴线方向均匀磁化，其磁化强度M为0.1229 T。尺寸半径r=8×10-3 m，厚度h=1×10-3 m。
PCB天线3为“Ω”形微带天线，中心频率为2.87GHz。光路部分采用共聚焦的方式进行光信号的传输。
对金刚石NV色心进行制备与活化处理方法如下：
Ⅰ、采用微波化学气相沉积（MPCVD）技术进行浓度高于1018cm-1的金刚石材料。采用高纯化N2气源（99.99%）和高内壁清洁净度气管，气源入腔口采用12500目过滤网进行微尘，净化气体。在超高真空（10-7torr）下采用高压微波等离子化CH4、H2、N2三种气体，激发出C、N原子，利用原子磁矩相互作用效应，采用磁、电约束方法，精确操控C、N原子比例，实现超高均匀性的浓度高于1018cm-1的氮元素可控制造。
Ⅱ、NV色心活化工艺：采用高能10MeV电子束辐射对金刚石进行5小时辐照，进行原位电子与晶格中的碳元素碰撞，产生空位。在超高真空环境下，快速退火趋势碳元素向表面移动，消除晶格畸变和残余应力，然后在真空下850℃高温下退火2h，使空位发生迁移，并捕获电子，形成NV色心。
应用上述系统的基于金刚石NV色心自旋磁共振效应的微位移测量方法。
（1）、测试中信号源4发出信号，并分成两路，其中一路信号进入微波源5，对所发出的微波信号进行调制；另一路作为参考信号进入锁相放大器6；
（2）、激光器9采用532nm激光通过二向色镜10和物镜11照射金刚石1，对金刚石1内的NV色心起到极化作用；
（3）、微波源5产生的微波通过PCB天线3发射，作用在金刚石NV色心上，用于诱导金刚石NV色心的自旋翻转；
（4）、物镜11收集金刚石1发出的荧光，依次通过物镜11、二向色镜10、平凸镜12、滤光片13后，应用光电探测器8进行荧光信号的采集；
（5）、光电探测器8的荧光信号分两路输出，一路直接输入数字示波器7用于观测ESR荧光信号；另一路通过锁相放大器6输入数字示波器7，应用锁频电路对荧光信号进行处理后得到对应的解调曲线；
（6）、在数字示波器7中应用解调曲线，通过调整位移台14上的永磁体2的位置，测试得到电压值与永磁体微位移之间的对应关系曲线，进而实现对永磁体的微位移测量。
本发明利用电子自旋效应对磁梯度场的高精度敏感机理，结合磁梯度场与微位移之间的关系，发明了一种应用金刚石氮空位色心的电子自旋敏感磁机理的微位移测量方法。
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 (5)

1.一种基于金刚石NV色心自旋磁共振效应的微位移测量系统，其特征在于：包括金刚石（1），永磁体（2），PCB天线（3），信号源（4），微波源（5），锁相放大器（6），数字示波器（7），光电探测器（8），激光器（9），二向色镜（10），物镜（11），平凸镜（12），滤光片（13）及位移台（14）；
所述位移台（14）的固定单元上安放有物镜（11）和金刚石（1），所述金刚石（1）位于物镜（11）的焦点处，所述金刚石（1）位于PCB天线（3）中心；所述位移台（14）的移动单元上安放永磁体（2）；
所述激光器（9）发出的激光通过二向色镜（10）射向物镜（11）后照射金刚石（1）；所述金刚石（1）发出的荧光依次通过物镜（11）、二向色镜（10）、平凸镜（12）、滤光片（13）进入光电探测器（8）进行荧光信号采集；所述光电探测器（8）输出两路信号，一路直接输入数字示波器（7）用于观测ESR荧光信号，另一路通过锁相放大器（6）输入数字示波器（7）得到对应的解调曲线；
所述信号源（4）发出信号并分成两路，一路信号进入微波源（5），用于对所发出的微波信号进行调制，另一路作为参考信号进入锁相放大器（6）；
所述微波源（5）产生的微波通过PCB天线（3）发射，作用在金刚石（1）的NV色心上；
所述金刚石（1）、永磁体（2）、PCB天线（3）、光电探测器（8）、二向色镜（10）、物镜（11）、平凸镜（12）、滤光片（13）及位移台（14）处于磁屏蔽（15）中。
2.根据权利要求1所述的基于金刚石NV色心自旋磁共振效应的微位移测量系统，其特征在于：所述永磁体（2）为圆柱形状，其材料为N35烧结钕铁硼，沿轴线方向均匀磁化，其磁化强度M为0.1229 T，半径r=8×10-3m，厚度h=1×10-3m。
3.根据权利要求1所述的基于金刚石NV色心自旋磁共振效应的微位移测量系统，其特征在于：所述PCB天线（3）为微带天线，中心频率为2.87GHz。
4.一种基于金刚石NV色心自旋磁共振效应的微位移测量方法，该方法应用于权利要求1所述的系统中，其特征在于：包括如下步骤：
（1）、测试中信号源（4）发出信号，并分成两路，其中一路信号进入微波源（5），对所发出的微波信号进行调制；另一路作为参考信号进入锁相放大器（6）；
（2）、激光器（9）采用532nm激光通过二向色镜（10）和物镜（11）照射金刚石（1），对金刚石（1）内的NV色心起到极化作用；
（3）、微波源（5）产生的微波通过PCB天线（3）发射，作用在金刚石NV色心上，用于诱导金刚石NV色心的自旋翻转；
（4）、物镜（11）收集金刚石（1）发出的荧光，依次通过物镜（11）、二向色镜（10）、平凸镜（12）、滤光片（13）后，应用光电探测器（8）进行荧光信号的采集；
（5）、光电探测器（8）的荧光信号分两路输出，一路直接输入数字示波器（7）用于观测ESR荧光信号；另一路通过锁相放大器（6）输入数字示波器（7）后得到对应的解调曲线；
（6）、在数字示波器（7）中应用解调曲线，通过调整位移台（14）上的永磁体（2）的位置，测试得到电压值与永磁体微位移之间的对应关系曲线，进而实现对永磁体的微位移测量。
5.根据权利要求4所述的基于金刚石NV色心自旋磁共振效应的微位移测量方法，其特征在于：对金刚石NV色心进行制备与活化处理方法如下：
采用微波化学气相沉积技术进行浓度高于1018cm-1的金刚石材料；采用高纯化N2气源和高内壁清洁净度气管，气源入腔口采用12500目过滤网进行微尘，净化气体；在超高真空下采用高压微波等离子化CH4、H2、N2三种气体，激发出C、N原子，利用原子磁矩相互作用效应，采用磁、电约束方法，精确操控C、N原子比例，实现超高均匀性的浓度高于1018cm-1的氮元素可控制造；
NV色心活化工艺：采用高能10MeV电子束辐射对金刚石进行5小时辐照，进行原位电子与晶格中的碳元素碰撞，产生空位；在超高真空环境下，快速退火趋势碳元素向表面移动，消除晶格畸变和残余应力，然后在真空下850℃高温下退火2h，使空位发生迁移，并捕获电子，形成NV色心。
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