CN108957376B - 芯片式原子自旋磁传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种芯片式原子自旋磁传感器，包括集成板（5），所述集成板（5）上设有U型微波信号耦合结构（1），所述集成板（5）上位于U型微波信号耦合结构（1）内的两相对面对称一体布置有梳齿型微波辐射微纳天线结构（2）；所述集成板（5）上位于U型微波信号耦合结构（1）的开口端布置有金刚石NV色心波导结构（4）；所述集成板（5）上位于梳齿型微波辐射微纳天线结构（2）之间设有金刚石NV色心自旋极化增强纳米柱阵列（3）。本发明体积小，灵敏度高，构成材料对于环境的要求低，可以适用于大部分需要测量微弱磁场的场合，通过微波与电子自旋共振耦合实现对共振信号的检测，以达到探测磁场的目的。

Description

芯片式原子自旋磁传感器
技术领域
本发明属于量子传感领域，具体为一种芯片式原子自旋磁传感器，利用微波与NV色心电子自旋共振耦合结构对微波信号的共振吸收频率变化进行探测的传感器，可以检测生物体表面或某一环境内的微弱磁场，根据微波共振吸收的频率变化实现对磁作用引起的自旋共振效应检测，从而实现对磁场信息的检测。
背景技术
电子顺磁共振是由不配对电子的磁矩发源的一种磁共振技术，可用于从定性和定量方面检测物质原子或分子中所含的不配对电子，并探索其周围环境的结构特性。
电子围绕原子核进行轨道运动，其本身进行自旋，因此，类似于轨道角动量，电子自旋具有自旋角动量S，进而产生自旋磁矩μ，自旋磁矩为：μ＝hγeS＝-gβeS，其中，h是普朗克常数，γe是电子磁旋比，βe是玻尔磁子，g因子是无量纲常数，自由电子的g因子值大约为2.002319304。
电子自旋存在两种自旋量子态，即Ms＝±1。在外磁场B0中，自旋磁矩方向与外磁场正向平行(Ms＝-1)为自旋向下，所对应的能级较低；自旋磁矩方向与外磁场反向平行(Ms＝+1)为自旋向上，对应能级较高。因此，电子在外磁场中的能级为：E＝gμBB0Ms＝±gμBB0。这两个能级对应的能极差为ΔE＝gμBB0＝hν。若此时给电子自旋结构施加一个与外磁场方向垂直的电磁波信号，且频率等于ν，则两个能级之间的电子将会吸收电磁波而发生跃迁，产生共振现象。
发明内容
本发明基于金刚石NV色心自旋结构的外部磁参量信息检测是根据该结构对微波信号的共振吸收频率变化进行探测的，在磁场作用下，电子自旋ms＝±1态的塞曼分裂发生变化，如图1所示，从而引起自旋ms＝+1态和ms＝-1态之间的能级差发生变化，进一步引起微波共振检测的频率发生变化，从而根据微波共振吸收的频率变化实现对磁作用引起的自旋共振效应检测，实现对磁场信息的检测，根据频移得到外磁场信息，其理论灵敏度为：
Figure BDA0001664738230000021
灵敏度＝普朗克常量/(自由电子g因子*)。
本发明是采用如下技术方案实现的：
一种芯片式原子自旋磁传感器，包括集成板，所述集成板上设有U型微波信号耦合结构，所述集成板上位于U型微波信号耦合结构内的两相对面对称一体布置有梳齿型微波辐射天线结构；所述集成板上位于U型微波信号耦合结构的开口端布置有金刚石NV色心波导结构；所述集成板上位于梳齿型微波辐射天线结构之间设有金刚石NV色心自旋极化增强纳米柱阵列。
实施时，在靠近U型端通过与外部微波场耦合进入U型区域内，梳齿型结构末端形成稳定的微波辐射场。含有NV色心的金刚石纳米柱阵列在微波场中基态能级发生塞曼分裂，形成ms＝0和ms＝±1态，产生电子自旋共振，当将此传感装置放置在被测物体表面或被测环境中时，在被测物微弱磁场的作用下，电子自旋ms＝±1态的塞曼分裂变化，微波能量产生变化，通过信号采集装置将放置前后的微波信号采集，通过将传感器产生的信号进行采集分析，分析微波共振吸收峰的半高宽即可获得被测磁场的信号。
本发明通过U型梳齿结构形成稳定的微波场，有效的激发NV色心金刚石纳米柱内电子产生自旋共振，由于电子自旋共振吸收一定能量的微波后，反射回的微波频率减弱，通过对信号的采集分析解算得到初始数据。将传感装置放置在被测物内部或附近，被测物微弱的磁场会对金刚石NV色心自旋极化增强纳米柱内部电子自旋共振产生作用，使得金刚石NV色心自旋极化增强纳米柱中电子吸收一部分微波能量后能级的塞曼分裂发生变化，被吸收的微波能量随之变化，通过采集分析解算前后两次微波能量的变化即可得到磁场强度大小。
本发明体积小，灵敏度高，构成材料对于环境的要求低，可以适用于大部分需要测量微弱磁场的场合，通过微波与电子自旋共振耦合实现对共振信号的检测，以达到探测磁场的目的。
附图说明
图1表示磁敏感检测物理过程示意图。
图2表示芯片式原子自旋磁传感器的结构示意图。
图3表示操作流程图。
图中，1-U型微波信号耦合结构，2-梳齿型微波辐射天线结构，3-金刚石NV色心自旋极化增强纳米柱阵列，4-金刚石NV色心波导，5-长方形集成板。
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。
一种芯片式原子自旋磁传感器，包括U型微波信号耦合结构1和梳齿型微波辐射天线结构2，金刚石NV色心自旋极化增强纳米柱阵列3，金刚石NV色心波导4，长方形集成板5。
具体如图2所示，长方形集成板5上设有U型微波信号耦合结构1，长方形集成板5上位于U型微波信号耦合结构1内的两相对面对称一体布置有梳齿型微波辐射天线结构2，其中，每梳齿天线结构形成RLC共振结构，实现对特定波段的微波信号共振辐射。长方形集成板5上位于U型微波信号耦合结构1的开口端布置有金刚石NV色心波导结构4；长方形集成板5上位于梳齿型微波辐射天线结构2之间设有金刚石NV色心自旋极化增强纳米柱阵列3。
具体为，金刚石NV色心自旋极化增强纳米柱阵列3的排列方式为：位于梳齿型微波辐射天线结构2中每个梳齿的前端放置一个金刚石NV色心自旋极化增强纳米柱；中间一排放置多个金刚石NV色心自旋极化增强纳米柱，其中，位于中间的金刚石NV色心自旋极化增强纳米柱的横截面呈长条状。
本发明采用U型微波共振检测结构，包括U型微波信号耦合结构和梳齿型微波辐射微纳天线结构，根据微波传输线原理，U型共振结构可等效为RLC结构，通过改变该结构的尺寸和结构，共振信号的频率发生变化，本发明针对金刚石NV色心自旋结构的自旋磁共振频率2.87GHz，对该结构的尺寸和结构进行优化设计，以保证微波信号对自旋结构的高效激发和对自旋信号的共振检测。本U型结构材料为金属铜(Cu)，采用光刻和刻蚀技术，图像化转移制备出金属层结构，采用聚焦例子束(FIB)刻蚀技术，通过将模型图导入FIB系统内可以精确制备出微波共振检测的梳齿结构。在靠近U型端通过与外部微波场耦合进入U型区域内，梳齿型结构可以形成稳定的微波辐射场。
在梳齿的前端放置多个NV色心自旋极化增强纳米柱结构，形成纳米柱阵列，图2中纳米柱排列方式是可以使微波信号和光信号更好的在采用聚焦例子束(FIB)刻蚀技术对金刚石和金属材料表面改性，即采用高速电喷镀工艺在金属材料和金刚石结构表面制备30nm的钛层作为改性镀层，以此得到优化FIB技术与材料之间能量交换过程的关联关系。多个纳米柱可以增强对微波的共振吸收，使得微波共振信号频率有较大幅度的变化，对微波信号的吸收效果明显增强，能提高传感器的灵敏度。通过比较仿真软件的仿真结果，可以得出如图2所示的排布方式对微波的共振吸收效果最好。在U型结构开口端放置金刚石NV色心波导结构，用于激活金刚石纳米柱的自旋态。针对该纳米柱及波导具体的微纳加工工艺流程如下：
1)、对超纯单晶金刚石进行电子辐照和真空退火处理，在金刚石中制备出NV色心自旋结构；
2)、结合FIB技术，首先制备出金刚石波导结构；
3)、在梳齿结构末端，采用FIB技术制备出如图2所示NV色心自旋极化增强纳米柱阵列结构；
4)、对微波共振结构、NV色心自旋极化增强纳米柱结构、NV色心波导的平面一体化集成结构，拟采用MEMS加工工艺技术制备该结构过控制和优化工艺参数，并结合辅助淀积等技术，提高微纳结构的表面光滑度，降低消耗传输损耗，提高检测系统的稳定性与灵敏度。通过控制和优化工艺参数，并结合辅助淀积等技术，提高微纳结构的表面光滑度，降低传输损耗。
具体实施时，流程如图3所示，在靠近U型端通过与外部微波场耦合进入U型区域内，梳齿型结构末端形成稳定的微波辐射场。含有NV色心的金刚石纳米柱阵列在微波场中基态能级发生塞曼分裂，形成ms＝0和ms＝±1态，产生电子自旋共振，当将此传感装置放置在被测物体表面或被测环境中时，在被测物微弱磁场的作用下，电子自旋ms＝±1态的塞曼分裂变化，微波能量产生变化，通过信号采集装置将放置前后的微波信号采集，通过将传感器产生的信号进行采集分析，分析微波共振吸收峰的半高宽即可获得被测磁场的信号。
具体步骤如下：
1、激光源发射激光通过金刚石NV色心波导，初始化金刚石纳米柱中的量子态，完成信息校准。
2、将集成芯片放置在被测环境内或者被测物体表面，加入微波信号使金刚石NV色心自旋极化纳米柱内电子自旋产生共振，或者将传感装置放置在被测物内部或附近。
3、被测物内部微弱的磁场会对金刚石NV色心自旋极化纳米柱内部电子自旋共振产生影响，使得金刚石纳米柱NV色心内部电子吸收一部分微波能量后能级发生分裂后产生电子自旋共振。
4、通过采集分析微波信号前后的变化可以得到磁场信号。同时也可以通过金刚石NV色心波导进行光信号信号采集。
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 (2)

1.一种芯片式原子自旋磁传感器，其特征在于：包括集成板（5），所述集成板（5）上设有U型微波信号耦合结构（1），所述集成板（5）上位于U型微波信号耦合结构（1）内的两相对面对称一体布置有梳齿型微波辐射天线结构（2）；所述集成板（5）上位于U型微波信号耦合结构（1）的开口端布置有金刚石NV色心波导结构（4）；所述集成板（5）上位于梳齿型微波辐射天线结构（2）之间设有金刚石NV色心自旋极化增强纳米柱阵列（3）；
所述金刚石NV色心自旋极化增强纳米柱阵列（3）的排列方式为：位于梳齿型微波辐射天线结构（2）中每个梳齿的前端放置一个金刚石NV色心自旋极化增强纳米柱；中间一排放置多个金刚石NV色心自旋极化增强纳米柱，其中，位于中间的金刚石NV色心自旋极化增强纳米柱的横截面呈长条状；
所述金刚石NV色心自旋极化增强纳米柱阵列（3）中金刚石NV色心自旋极化增强纳米柱的自旋磁共振频率2.87GHz。
2.根据权利要求1所述的芯片式原子自旋磁传感器，其特征在于：所述U型微波信号耦合结构（1）和梳齿型微波辐射天线结构（2）的材料为金属铜。
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