CN112955768A - 集合固态自旋传感器的微波谐振器读出 - Google Patents

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Abstract

自旋缺陷中心集合与微波谐振器之间的腔自旋相互作用的微波谐振器读出产生的保真度比光读出可能产生的保真度高几个数量级。在微波谐振器读出中，微波光子探测耦合到受待测量物理参数影响的自旋缺陷中心集合的微波谐振器。所述物理参数使所述自旋缺陷中心的谐振偏移，这又改变了所述微波谐振器的色散和/或吸收。所述微波光子探测这些色散和/或吸收变化，产生比类似的荧光测量的可视性更高、散粒噪声更低、灵敏度更好且信噪比更高的测量。另外，微波谐振器读出能够实现自旋缺陷中心集合的相干平均，并且与除金刚石中的氮空位之外的自旋系统兼容。

Description

集合固态自旋传感器的微波谐振器读出
相关申请的交叉引用
本申请根据35 U.S.C.119(e)要求2018年8月27日提交的第62/723,113号美国申请的优先权权益，所述美国申请以全文引用的方式并入本文中。
政府支持
本发明是在美国空军授予的授权号为FA8702-15-D-0001的政府支持下完成的。政府对本发明享有一定权利。
技术领域
背景技术
固态自旋传感器采用包含色心缺陷在内的固态主体中的自旋中心缺陷来测量一个或多个物理参数或量，例如磁场、电场、温度、压力，或原子、分子或其它强子物种的存在。自旋中心缺陷是对物理量有意义的固态主体内部的点状缺陷，例如金刚石中的氮空位(NV)。可以通过光激励和微波辐射来操纵这些缺陷的量子自旋态，使得量子自旋态对物理参数敏感。
常规的固态自旋传感器操作如下。来自光辐射源的光激励辐射照射固态自旋传感器内的一个或多个色心缺陷。光激励辐射的照射使色心缺陷发出荧光，所述荧光由光传感器收集。向色心缺陷施加光激励辐射可能伴随着向色心缺陷施加微波辐射。在一些实施方案中，微波辐射用于操纵色心缺陷的量子能级(量子自旋态)之间的布居分布。
可以同时、按顺序或同时且按顺序地施加光激励辐射和微波辐射。将光和微波辐射施加到固态自旋传感器被布置成使得在发出的荧光中编码与待测量的物理量有关的信息。例如，如果用绿光(波长为495-570nm的光)和恰当的微波辐射照射含有氮空位色心缺陷的金刚石，则金刚石可能会发出红色的荧光(波长为630-850nm的光)，所述荧光对自旋中心缺陷在量子自旋态之间的布居分布进行编码。此布居分布又取决于应用于自旋中心缺陷的物理参数。因此，检测到的荧光表示自旋中心缺陷经历的物理量。当物理参数是磁场时，这种基于荧光的测量被称作光检测磁谐振(ODMR)测量。
图1示出了标准固态自旋传感器系统100，其具有固态自旋传感器110(例如，像是块状金刚石的固态主体中的自旋中心缺陷，如氮空位)、微波辐射源120、光辐射源130、光电检测器140和处理器160(例如，在计算机中)。在操作中，微波辐射源120和光辐射源130分别将微波辐射和光激励辐射施加到固态自旋传感器110。微波辐射和光激励辐射可以各自通过对应开关122、132接通或断开，所述开关可以由处理器160控制。处理器160还可以控制微波辐射和光激励辐射的各方面，例如功率和频谱含量。
当被光激励辐射激励时，固态自旋传感器110中的色心缺陷会发出荧光111，所述荧光被收集并发送到光电检测器140。光电检测器的输出表示入射到光电检测器140上的荧光111的强度，所述输出由模数转换器142数字化并发送到处理器160。处理器160使用施加的微波辐射和光激励辐射的已知时间和频谱性质以及检测到的光学荧光的强度来计算施加在固态自旋传感器110上的物理量的值。
发明内容
不利的是，使用上文所描述的荧光读出固态自旋传感器有一个根本的缺点：使用荧光来确定自旋中心缺陷的量子态可能非常低效。在基于荧光的读出的情况下，大部分关于被测量的物理参数的信息(被编码在自旋中心缺陷的量子态中)会在读出量子态的过程中丢失。读出期间丢失的信息量由读出保真度F量化。对于F＝1，没有丢失信息，并且读出保真度不能提高到超过自旋投影限值。对于读出保真度F＝0.1，丢失了90％的信息。对于读出保真度F＝0.01，丢失了99％的信息。采用基于荧光的读出的固态自旋传感器的读出保真度在F＝0.0002到F＝0.013之间变化，表示最多丢失了98.7％的信息。
读出保真度也会影响测量时间。通常，固态自旋传感器实现给定信噪比(SNR)所需的时间与F2成比例，这意味着对于给定SNR，较小的保真度会转换成较长的测量时间。换句话说，实现给定SNR的测量时间按1/F2的比例发生变化。这使得基于荧光的自旋中心缺陷测量的低读出保真度(F<<1)对于测量具有相对高的SNR的瞬态物理量而言非常不利。
相比而言，本发明的固态自旋传感器系统可以使用微波谐振器读出技术以接近F＝1的读出保真度操作。此读出保真度大约是光读出的读出保真度的100倍，这可以解释为SNR增加100倍以及读出时间减少10,000倍，以实现给定SNR。为了实现此读出保真度，本发明的固态自旋传感器系统通过检验与固态自旋传感器相互作用的微波辐射的特性来确定自旋中心缺陷的量子态。通过使用谐振微波腔来增强输入微波辐射与自旋中心缺陷的相互作用。对于基于金刚石中的氮空位(NV)的固态自旋传感器，此微波谐振器读出可以用于确定磁场相关的塞曼(Zeeman)谐振。通过确定磁场相关的塞曼谐振的位置，本发明的固态自旋传感器可以充当磁力计。此类磁力计可以用于生物感测、神经科学、地理勘察、全磁导航、磁异常检测方面的应用以及其它应用中。
本发明的传感器系统可以包含：微波谐振器；固态主体，所述固态主体电磁耦合到所述微波谐振器并且包含自旋缺陷中心；微波辐射源，所述微波辐射源与所述微波谐振器和所述自旋缺陷中心电磁通信；以及检测器，所述检测器与所述微波谐振器和所述自旋缺陷中心电磁通信。在操作中，所述微波辐射源将微波辐射施加到所述微波谐振器和所述自旋缺陷中心。所述微波谐振器增强所述微波辐射与所述自旋缺陷中心之间的相互作用。并且所述检测器测量在与所述自旋缺陷中心相互作用之后离开所述微波谐振器的所述微波辐射的幅值和/或相位。
所述检测器可以被配置成感测所述微波辐射的所述幅值和/或所述相位响应于由应用于所述自旋缺陷中心的例如磁场的物理参数引起的所述自旋缺陷中心的谐振频率的偏移而发生的变化。所述检测器可以实施为具有基准臂的零差传感器。所述检测器还可以实施为零差检测器，所述零差检测器被配置成以零差频率对关于使所述自旋缺陷中心的谐振频率偏移的物理参数的信息进行编码。
传感器系统还可以包含：光激励源(例如，激光器)，所述光激励源与所述自旋缺陷中心光通信，以将所述自旋缺陷中心激励到期望量子态。
所述传感器系统还可以包含：处理器，所述处理器可操作地耦合到所述检测器，以基于所述微波辐射的所述幅值和/或所述相位来确定所述自旋缺陷中心经历的物理参数。所述微波辐射源可以基于所述处理器确定的所述物理参数来改变所述微波辐射。并且所述处理器可以基于所述微波辐射的所述幅值和/或相位来确定所述自旋缺陷中心的量子态。
在一些情况下，所述传感器系统包含：致动器，所述致动器可操作地耦合到所述微波谐振器，以改变所述微波谐振器的谐振频率。所述致动器可以包含压电元件、变容二极管、可调谐电容器或可切换电容器组。所述致动器可以通过改变电容或电感来改变所述微波谐振器的所述谐振频率。将多个频调施加到所述致动器可以使所述微波谐振器同时在多个频率下谐振。例如，所述致动器可以包括动态控制电容，所述动态控制电容被配置成允许所述微波谐振器同时在多个频率下谐振。
微波谐振器读出可以用于用包含固态主体的微波谐振器来测量物理参数。所述固态主体中的自旋缺陷中心受所述物理参数影响，所述物理参数使所述自旋缺陷中心的谐振频率相对于所述微波谐振器的谐振频率偏移。微波波形探测所述自旋缺陷中心的所述谐振频率相对于所述微波谐振器的所述谐振频率的所述偏移。检测器测量从所述微波谐振器和所述自旋缺陷中心透射和/或反射的所述微波波形。可以基于所述从所述微波谐振器和所述自旋缺陷中心透射和/或反射的所述微波波形来确定所述物理参数的幅值和/或方向。
测量所述微波波形可以包含测量所述微波波形的同相和正交分量。在一些情况下，测量所述微波波形包括感测所述自旋缺陷中心的所述谐振频率相对于所述微波谐振器的所述谐振频率的所述偏移，其对比率为至少95％。同样，确定所述物理参数的所述幅值和/或所述方向包括以至少0.1的读出保真度来测量所述物理参数。
如果需要，可以在磁场传感器中实施微波谐振器读出，所述磁场传感器包含：谐振电路、与所述谐振电路电磁通信的微波源、与所述微波谐振器电磁通信的微波检测器，以及可操作地耦合到所述微波检测器的处理器。所述谐振电路包含微波谐振器和接近所述微波谐振器的固态主体。所述固态主体具有自旋缺陷中心，所述自旋缺陷中心响应于外部磁场而使所述微波谐振器的谐振频率偏移，所述外部磁场可以改变所述自旋缺陷中心在不同量子态之间的布居分布。所述微波源用微波辐射来探测所述微波谐振器的所述谐振频率，并且所述微波检测器检测探测所述微波谐振器的所述谐振频率的所述微波辐射。所述处理器基于所述检测器检测到的所述微波辐射来确定所述磁场的量值和/或方向。
在一些情况下，所述微波检测器被配置成检测所述微波辐射的同相和正交分量。
所述磁场传感器还可以包含：锁定电路系统，所述锁定电路系统可操作地耦合到所述微波源和所述微波检测器，以将所述微波辐射的频谱分量锁定到所述微波谐振器的所述谐振频率。
附图说明
本领域的技术人员将理解附图主要是用于说明性目的且并非意图对本文所述的发明性标的物的范围进行限制。附图未必按比例绘制；在一些情况下，本文公开的发明主题的各个方面可在附图中夸大或放大地示出以助于理解不同特征。在附图中，类似的参考标号通常指类似的特征(例如，功能上类似和/或结构上类似的元件)。
图1示出了使用光读出的典型的标准固态自旋传感器。
图2A示出了光读出和固态自旋传感器。
图2B示了微波谐振器读出和固态自旋传感器。
图3A示出了本发明的固态自旋传感器系统和微波谐振器读出。
图3B更详细地示出了图3A的微波谐振器和固态自旋传感器。
图3C是图3B的微波谐振器的空载品质因数(Q；左轴)和峰-峰频率偏移(右轴)与变容二极管位置之间的关系的曲线图。
图4A示出了使用微波谐振器读出的固态自旋传感器中的自旋缺陷中心的量子自旋态转变。
图4B示出了自旋中心缺陷自身的微波谐振(顶部)以及自旋对使用微波谐振器读出的固态自旋传感器的微波谐振器品质因数(底部)的影响。
图4C示出了微波辐射的用电压反射系数Γ，表示的输入耦合和用电压透射系数T表示的输出耦合，所述微波辐射用于探测微波腔中的固态自旋传感器中的自旋缺陷中心的量子自旋态。
图5示出了由两个介质微波谐振器(虚线)形成的腔中的固态自旋传感器(立体、菱形轮廓)的特征频率模拟，其中箭头示出了2D矢量场分布。
图6是微波谐振器读出信号(右轴)和叠加的光检测磁谐振(ODMR)信号(左轴)随施加的磁场变化的曲线图。
图7示出了来自本发明的固态自旋传感器的模拟(顶行)和实验(底行)微波谐振器读出信号的透射(T)数据(左列)和反射(Γ)数据(右列)。
图8是来自本发明的固态自旋传感器的微波谐振器读出信号在不同微波功率下反射到50Ω阻抗中的曲线图。
图9是本发明的固态自旋传感器的磁灵敏通道(上迹线)和磁不灵敏通道(下迹线)的灵敏度与频率之间的关系的曲线图。
具体实施方式
本发明的固态自旋传感器系统对已与固态自旋传感器内的自旋中心缺陷相互作用的微波辐射的相位或幅值中的物理量进行编码。对微波辐射而不是光辐射的相位和/或幅值中的物理量进行编码大大增强了块状集合固态自旋传感器对感兴趣的物理参数的读出保真度和灵敏度，并且所述编码过程作为全电读出机制，可能比全光读出机制更好。与采用全光读出机制的装置相比，固态自旋传感器系统更适合标准半导体工艺制造。并且由于微波谐振器读出，相比于与光读出兼容，本发明的固态自旋传感器系统可以与许多更多类型的自旋缺陷更好地配合，所述自旋缺陷包含几乎所有顺磁自旋缺陷。
光读出与微波谐振器读出之间的差异
图2A和2B示出了微波谐振器读出与固态自旋传感器中的光读出的不同程度。图2A示出了常规光读出200。将光辐射201和微波辐射203施加到结晶主体中的色心缺陷的固态自旋211，使得固态自旋211的集合或布居处于期望量子态分布。由传感器测量的物理参数205改变在固态自旋211的不同量子态中的相对布居，所述物理参数例如磁场、电场、压力或温度。固态自旋的相对布居的变化反映在由固态自旋211发出的不同量的光致发光221中。可以用至多约0.01的保真度来检测光致发光221的变化。
图2B示了固态自旋传感器的微波谐振器读出250。输入微波辐射253和光辐射251经由微波谐振器263施加到固态自旋261，使固态自旋261极化。被测量的物理参数255改变固态自旋261的不同量子态(和谐振频率)中的相对布居。固态自旋261的布居分布变化改变了微波谐振器263的谐振频率或品质因数。谐振频率或品质因数的变化产生由微波谐振器263发射或反射的微波辐射271的变化，可以用至少0.1(例如，0.10、0.20、0.30、0.40、0.50、0.60、0.70、0.75、0.80、0.85、0.90、0.95或更高)的保真度来测量所述变化。微波谐振器读出250的对比率也可以相当高，例如为50％、60％、70％、80％、90％、95％或更高。
与在光读出200中不同，在微波谐振器读出250中，固态自旋261的谐振频率的变化是中间效应；固态自旋261随后改变微波谐振器的谐振频率和/或品质因数，并且输出微波辐射的相位和/或幅值反映了微波谐振器的谐振频率和/或品质因数。
使用微波谐振器读出的固态自旋传感器系统
图3A示出了使用微波谐振器读出的固态自旋传感器系统300。固态自旋传感器系统300包含固态自旋传感器310，所述固态自旋传感器是在由复合微波谐振器380限定的微波腔中包含自旋中心缺陷集合的固态主体。合适的固态自旋传感器310包含金刚石中的NV和硅空位、碳化硅中的双空位，以及蓝宝石中的钛、铬、锰、铁、钴和镍缺陷，氧化镁中的镍和钴缺陷。致动器382调谐复合微波谐振器380的谐振频率。任选的偏置磁体314将任选的偏置磁场施加到固态自旋传感器310中的自旋中心缺陷，从而分离缺陷的微波谐振。并且任选的测试线圈318可以用于将已知的时变磁场施加到固态自旋传感器310，以用于测试或校准固态自旋传感器系统300。
系统300包含利用输入微波辐射来探测缺陷的微波谐振的微波发生器320，例如脉冲图形发生器、任意波形发生器、直接数字合成器、介质谐振器振荡器或频率倍增石英振荡器。耦合到微波发生器320的输出的微波分离器322将输入微波辐射分成由处理器360控制的具有第一可变衰减器324的信号臂以及也由处理器360控制的具有移相器326和第二可变衰减器328的基准臂(为清楚起见，省略与处理器360的连接)。
耦合到第一可变衰减器324的三端口环行器370将输入微波辐射耦合到包含固态自旋传感器310的微波腔，并且接收从微波腔反射的输出微波辐射。环行器370通过第一低噪声放大器(LNA)372和第一带通滤波器(BPF)374将此输出微波辐射耦合到同相/正交(I/Q)混频器378，所述混频器将放大的滤波后输出微波辐射与来自基准臂的输入微波辐射的副本混频。可以包含一个或多个模数转换器(ADC)的数据采集(DAQ)板342从I/Q混频器378接收同相和正交输出并使所述同相和正交输出数字化。
处理器360耦合到DAQ板342，使用数字化的同相和正交输出来计算由系统300测量的物理参数(例如，外部磁场或电场的幅值和定向)。除了反射的输出微波辐射之外或代替反射的输出微波辐射，DAQ板342还可以接收透射通过腔的输出微波辐射并使所述输出微波辐射数字化。此透射输出微波辐射由第二LNA 352放大、由第二BPF 354进行滤波，并且由耦合到DAQ板342的微波检测器350检测。(如果需要，微波检测器350可以实施为用于平衡的零差或外差检测的双通道检测器，具有由输入微波辐射的适当相移型式提供的本地振荡器。)
耦合到DAQ板342和微波发生器320的任选锁定电路系统362可以将输入微波辐射的至少一个频谱分量(频调)锁定到微波谐振器380的谐振频率。锁定电路系统362生成误差信号，所述误差信号表示由被测量的物理参数引起的微波谐振器380的谐振频率或品质因数的变化。此误差信号可以用于相对于微波谐振器380的谐振频率调整输入微波辐射的频率。(通常，输入微波辐射的频率保持在微波谐振器的谐振频率的几个腔线宽内。)误差信号还可以驱动改变微波谐振器380的谐振频率的致动器382，如下文所解释。例如，锁定电路系统362可以用Pound-Drever-Hall锁、峰值抖动锁或另一技术来执行锁定，以确保复合微波谐振器380与施加到腔的输入微波辐射的一个或多个频调谐振。随后可以将输入微波辐射中的频调锁定到固态自旋传感器310的一个或多个磁谐振。
系统300还可以包含任选的光辐射源，例如以532nm的波长发出泵浦光束331的泵浦激光器330。例如快门或开关的任选调制器332控制此泵浦光束331是否照射固态自旋传感器310。系统300还可以包含耦合到DAQ板342的光电检测器340，用于测量固态自旋传感器310中的自旋中心缺陷发出的荧光，例如用于辅助ODMR测量。
在图3A的系统300中，来自腔的反射构成由呈I/Q混频器378形式的零差检测器检测的零差信号。对于外差检测，可以用合适的调制器(例如，相位调制器326)来调制基准臂中的信号或询问腔的信号(输入微波辐射)。因此，当反射信号(输出微波辐射)与基准臂中的信号混频时，I/Q混频器378产生以调制频率编码的感兴趣信号。全外差检测的一个优点是，通过以远高于DC的调制频率对感兴趣信号进行编码，测量会变得对来自微波发生器320和I/Q混频器378的1/f型噪声不那么敏感。(由于没有混频，因此通过腔的透射不是零差或外差系统。)
微波谐振器设计和构成
图3B示出了复合微波谐振器380的纵截面。微波谐振器380增强了固态自旋传感器310中的自旋中心缺陷与输入微波辐射之间的相互作用。固态自旋传感器310位于由介质谐振器384形成的微波腔381中，所述介质谐振器夹在外壳(铝透镜管390)中的铁氟龙(Teflon)挡圈392与396之间。(微波腔381还可以由金属环隙谐振器或镀有导电材料的绝缘材料(例如镀有银的蓝宝石)形成。)复合微波谐振器380也可以由平面元件构成，并且可以实施为裂环谐振器、四分之一波长谐振器、贴片天线或任何其它合适的微波谐振器。半绝缘碳化硅衬底394在腔381中支撑固态自旋传感器380，并且从固态自旋传感器380散热。
输入微波辐射通过使用线环376的电感耦合来耦合到复合微波谐振器380中，所述线环贯穿铝透镜管390中的孔并且可以三维方式移动。替代地，输入微波辐射可以通过与线环的电容耦合、末端耦合或任何其它合适的谐振器耦合方法耦合到复合微波谐振器380中。泵浦光束331经由铝透镜管390中的口或孔照射固态自旋传感器310。
如果需要，可以使用图3B所示的呈耦合到一个或多个变容二极管(未示出)的环的形式的致动器382来调谐复合微波腔380的谐振频率。如图3C所示，将环形介质谐振器和变容二极管382移向或移离介质谐振器384使复合微波谐振器380的空载品质因数(Q)和谐振频率均偏移。其它合适的致动器包含压电元件、可调谐电容器，以及调谐复合微波谐振器的电容的可切换电容器组。
还可以通过改变复合微波谐振器的电感来使复合微波谐振器的空载品质因数和谐振频率偏移。由于通常根据流动电流的物理位置确定电感，因此可以通过例如利用在不同路径之间切换电流的开关来改变电流行进路径的几何形状或距离来改变电感。
将多个频调施加到致动器(例如，图3B所示的动态控制电容)可以使微波谐振器同时在多个频率下谐振。例如，当询问金刚石中的NV时，可能需要按顺序或同时询问一些或全部NV谐振。例如，对于14NV，由于NV随后在金刚石中的四个可能的定向、两个可能的自旋态和三个可能的超精细状态，因此产生了24次谐振。例如，通过将多个频调或频率线性调频脉冲施加到致动器，通过这些NV谐振使微波谐振器380的谐振频率偏移或快速变化，这使得能够分别询问每一NV谐振。
谐振器读出
图4A-4C示出了使用图3A的微波谐振器读出和固态自旋传感器系统300的磁场测量。磁场被编码成自旋缺陷中心的|ms＝+1>、|ms＝-1>，和|ms＝0>自旋态(假设自旋系统基于金刚石中的NV)的布居比。泵浦激光器330用泵浦光束331照射固态自旋传感器310，所述泵浦光束的波长为532nm，并且可以由调制器332调制其幅值、相位和/或频率。例如，调制器332可以断断续续地对泵浦光束331脉冲。泵浦光束331使自旋缺陷中心布居重新极化；即，所述泵浦光束改变不同量子能级之间的自旋中心缺陷的分布，如图4A中的状态图所示。在此实施方案中，泵浦光束331将大部分自旋中心缺陷泵成单个量子态(|ms＝0>自旋态)。
微波发生器320用输入微波辐射辐照固态自旋传感器310，所述输入微波辐射的频谱含量传送量子能量水平之间的固态自旋传感器中的自旋中心缺陷布居。输入微波辐射应具有低相位噪声，因为相位噪声可以模拟磁信号。磁信号引起的腔谐振的频率偏移和由于相位噪声引起的微波辐射的频率偏移均会改变从腔反射的微波辐射量。可能会难以区分这两种效应，其中一种由磁信号引起，而另一种由相位噪声引起。减少或抑制相位噪声会减少由相位噪声引起的输出微波辐射的幅值的不必要变化。
输入微波辐射的频谱含量可以包含具有相同或不同的幅值的一个或多个频调，每一频调可以在微波谐振器的谐振频率的一个、五个或甚至十个腔线宽内。输入微波辐射可以是已调幅、已调频、已调相的或以其它方式随时间改变。与任选的光辐射类似，此输入微波辐射与固态自旋传感器310中的自旋中心缺陷相互作用，并且可以改变不同量子态之间的自旋中心缺陷的布居分布。
例如，输入微波辐射参数(频率和相位或其任何组合)可以被布置成使得量子态之一中的自旋中心缺陷吸收部分输入微波辐射。此吸收呈现为固态自旋传感器的透射频谱中的突降，绘制于图4B中的上迹线中。透射频谱(图4B中的上迹线)具有两处突降，这是因为偏置磁场(例如，由图3A中的偏置磁体314施加的)使所有|ms＝±1>谐振与一个谐振重叠并且使|ms＝0>谐振与另一谐振重叠。此任选的偏置磁场增强了NV与微波谐振器380之间的相互作用。
固态自旋传感器的透射频谱中的突降可以与微波谐振器的谐振频率对准，如图4B的下迹线所示。另外，可以选择微波谐振器的自由频谱范围以匹配或不匹配自旋中心缺陷谐振之间的分裂，从而实现维尼尔(Vernier)式测量。如图4B所示，当自旋缺陷中心布居接近或与微波谐振器谐振时，微波谐振器的谐振线宽会由于谐振吸收而变宽。这使得微波谐振器的谐振频率由于微波光子的散射和重新发射而偏移回腔模式。
通常，输入微波辐射的频谱含量应在微波谐振器的谐振频率的几个腔线宽内。微波谐振器的谐振频率可以由自旋中心缺陷偏移一定量，所述量取决于施加到自旋中心缺陷的物理参数(例如，磁场)。例如，微波谐振器320可以具有中心频率为2.900GHz且线宽为200kHz的谐振。为了获得此谐振，输入微波辐射具有在2.899GHz与2.901GHz之间(在谐振中心频率的五个谐振线宽内)的频谱含量。自旋缺陷中心可以在任一方向上使谐振中心频率偏移高达300kHz。谐振中心频率的这种偏移赋予从复合谐振器380反射的微波辐射相位和幅值差。
图4C示出了输入微波辐射与固态自旋中心310和微波谐振器380的相互作用产生反射输出微波辐射(Γ)和透射输出微波辐射(T)。输入微波辐射与总输出微波辐射之间的功率差可以被布置成取决于由输入微波辐射处理的量子态中的自旋中心缺陷的数量。例如，输入微波辐射参数(频率、相位或其任何组合)可以被布置成使得量子态之一中的自旋中心缺陷将相移(即，色散)引入到输入微波辐射。一旦离开腔，输出微波辐射就会具有与不存在自旋中心缺陷的情况下不同的相位。由自旋中心缺陷赋予输出微波辐射的额外相位偏移对应于特定量子态中的自旋中心缺陷的数量。
耦合环376以电感方式将输入微波辐射耦合到微波腔381中；没有耦合到微波腔381中的输入微波辐射以反射输出微波辐射的形式转送回环行器370。此输出微波辐射在由例如双通道微波检测器的微波检测器检测之前被放大和滤波。合适的双通道微波检测器包含平衡混频器、双二极管检测器(例如，输出耦合到一对平衡肖特基二极管的90度混合耦合器)和I/Q混频器(例如，图3A中的I/Q混频器380)，所述I/Q混频器具有输入到射频(RF)端口的基准微波辐射和输入到本地振荡器(LO)端口的输出微波辐射，反之亦然。
双通道检测是任选的，但与单通道检测相比具有大量优点。首先，可以提供双通道检测器以获得相位和幅值信息两者。通常，吸收在一个通道中进行编码，并且色散在另一通道中进行编码。色散信号随后用作锁定微波频率的误差信号，所述微波频率锁定到腔谐振。双通道检测也可以用于抑制或取消固定背景。
双通道微波检测器的输出被传送到一个或多个模数转换器(例如，在图3A中的DAQ板342中)。模数转换器使双通道微波检测器的输出数字化，并且将结果发送到计算机(例如，DAQ板342中的处理器或耦合到所述DAQ板的处理器)。计算机使用双通道微波检测器的数字化输出来计算待使用双通道检测器的数字化输出测量的物理参数的值。例如，如果双通道微波检测器是I/Q混频器，则双通道微波检测器的输出是同相和正交信号，所述同相和正交信号允许计算基准微波辐射与输出微波辐射之间的幅值和相位差。根据幅值或相位或幅值和相位，计算机可以确定待测量的物理参数的值。
处理器360还可以使用双通道微波检测器的数字化输出来调制、调整或以其它方式控制输入微波辐射或光激励辐射。例如，在图3A中，处理器360可以致动泵浦激光器330、调制器332、微波发生器320、第一可变衰减器324、移相器326或第二可变衰减器328。可以控制这些组件来增大或最大化装置的灵敏度、修改装置的性能或用于任何其它目的。
RLC等效电路模型
在不受任何特定理论束缚的情况下，可以将固态自旋传感器和微波谐振器描述为具有集总元件电路组件的经典RLC谐振器。由于自旋中心缺陷与被测量的物理参数之间的相互作用以及自旋中心缺陷与微波谐振器之间的耦合，这些集总元件电路组件发生了变化。此电路特性产生用于入射到电路上的微波辐射的反射和透射系数的简单计算。
可以用复合装置的等效电路来对自旋中心缺陷的集合与微波谐振器之间的耦合进行建模。可以将复合装置描述为串联RLC谐振器，其中环与微波谐振器之间的耦合表示为谐振器模式的磁场与耦合环之间的互电感。在此电路配置中，具有磁化率χ的自旋缺陷中心集合为通过微波谐振器的磁通量贡献了净磁化强度，因此改变了微波谐振器的电感和等效电阻。自旋缺陷中心集合的磁化率χ是复杂的(χ＝χ′–iχ″)。包含描述自旋缺陷中心对微波光子的吸收的虚部(χ″)和描述由于自旋缺陷中心而产生的色散的实部(χ′)。将χ分成实部和虚部示出：串联电阻Rr被修改为R′r＝Rr(1+Q0χ″)，其中Q0是微波谐振器的本征品质因数Q0＝ωLr/Rr，并且串联电感Lr被修改为L′r＝Lr(1+χ′)。
表1(下文)给出了使用此分析计算的等效串联RLC电路参数以及测量的谐振频率量(ω0/2π)，和空载品质因数(Q0)。
Figure BDA0003033579450000131
表1：用于复合谐振器的串联RLC等效电路模型的参数
串联RLC等效电路可以转换成并联RLC等效电路。表2(下文)给出了使用此分析计算的等效并联电路参数以及测量的谐振频率量(ω0/2π)，和空载品质因数(Q0)。
Figure BDA0003033579450000132
表2：用于复合谐振器的并联RLC等效电路模型的参数
实验磁场自旋缺陷中心微波谐振器测量
图3A所示的固态自旋传感器系统300构建且用于同时进行微波谐振器和磁场的ODMR测量。固态自旋传感器是市售的天然、高压高温(HPHT)处理金刚石，掺杂有氮空位。金刚石具有特别高的NV密度(>1017/cm3，如使用常规电子顺磁谐振所测量)，且线宽为γ＝8MHz。金刚石安装在被机械加工成介质谐振器(DR)堆栈的中腔中。图3B中的金刚石、介质谐振器堆栈和碳化硅衬底的有效谐振频率为2.940GHz且空载品质因数(Q0)为约22,000。输入和输出耦合环与DR堆栈同轴地进入铝屏蔽，并且允许耦合到谐振器TE10δ模式。
图5示出了DR堆栈384和固态自旋传感器310(金刚石)的固有频率模拟。使用Ansys高频率结构模拟器(HFSS)来计算谐振频率(f0＝2.940GHz)和磁模空间分布。黑色虚线覆盖示出了两个介质谐振器384的轮廓，其中金刚石310放置在加工腔中。箭头示出了二维向量场分布，并且阴影示出了标准化磁场量值。TE10δ模式的磁场类似于磁偶极子的磁场，其中金刚石位于靠近场最大值的中空区中。
图5中的固有频率模拟示出了微波辐射与固态自旋传感器310之间的相互作用。固态自旋传感器310靠近微波谐振器中的最大磁场点。这增强或最大化了微波谐振器与金刚石中的NV自旋集合之间的相互作用，使得有可能通过查看微波谐振器的性质来探测NV自旋集合。
基于NV的磁谐振，NV自旋集合中的NV的作用类似于微波的吸收介质。由于KramersKronig色散关系式，NV还产生频率靠近磁谐振的微波的色散偏移。换句话说，NV产生频率靠近磁谐振的微波的吸收和色散两者。此效应可能较弱，但可以通过借助于大致微波谐振器的品质因数Q使用微波谐振器得以增强。(如果这是光方法，则NV与谐振器之间的相互作用将通过腔精细度增加)。一旦NV与微波谐振器强烈相互作用，腔中心频率和品质因数就会响应于NV的行为而发生变化。
在金刚石在DR堆栈的中心的情况下，激光访问是通过机械加工穿过两个谐振器的中心的圆柱形进入端口来实现的。然而，多瓦激光激励引起金刚石中的温度上升数百开氏度，因此金刚石会粘附到半绝缘碳化硅(SiC)394的2英寸晶片以进行散热。此碳化硅晶片与金刚石一起放置在DR堆栈中的两个DR之间。稀土磁体(图3A中的磁体314)沿<100>金刚石结晶轴线形成DC偏置场B0≈6G，从而沿所有四个NV定向产生相同的投影。测试线圈(图3A中的线圈318)与稀土磁体同轴地定位，允许施加额外的场，例如使施加的磁场快速变化。
输入微波辐射由微波发生器生成，并且经由定向耦合器分成基准臂和信号臂。信号臂穿过环行器，所述环行器使微波功率耦合入和耦合出微波谐振器。环行器使由微波谐振器反射的输出微波辐射与输入微波辐射分离。输出微波辐射连续地滤波、放大并且与基准臂信号混频，以在DC产生同相和正交(IQ)信号。直接从微波谐振器读取由微波谐振器透射的输出微波辐射，并在放大级后使其数字化。通过固定要与腔谐振的输入微波辐射的频率并调制偏置磁场B0的幅值来获得微波谐振器读出信号，使得NV塞曼亚能级以2.94GHz扩大腔谐振。同时，光电检测器感测由金刚石中的NV发出的荧光。
图6示出了随偏置磁场的幅值变化的微波谐振器读出信号(右轴)和ODMR信号(左轴)B0。NV集合随施加的偏置磁场使腔谐振转移，并且给出几近均一的对比度微波谐振器读出信号。环行器的端口1与3之间的不良隔离引起背景微波光子的对比度降低3％。可以用隔离更高的环行器来缓解此对比度降低的情况。另一方面，同时且在相同条件下获得的ODMR信号产生约5％的对比度。
反射和透射读出
图7示出了驱动-腔(δ＝ω-ω0)与自旋-腔(Δ＝ω0-ωs)失谐的2D曲线图，所述失谐通过监测在单调递增DC偏置场(B0)下反射和透射的输出微波辐射而得的。顶行中的两个曲线图是使用上文所描述的等效电路模型对微波谐振器-NV相互作用进行的模拟，并且使用静态磁化率χ0和T1和
Figure BDA0003033579450000155
作为自由参数来拟合数据。底行中的两个曲线图示出了以施加到微波谐振器的-56dBm的输入微波辐射功率获得的数据。在此功率电平下，输入微波辐射不会使微波谐振器-NV相互作用的吸收或色散效应饱和。由于相互作用与NV集合的状态极化成比例，因此泵浦激光器的功率在523nm下设置为18W。
图7中的曲线图示出了在零失谐时，NV与腔之间的相互作用最强，其中微波谐振器和NV集合具有相同的谐振频率(例如，如在图4B中的下迹线所示)。吸收和色散信号是非常明显的，从而避免了透射和反射在零失谐时明显交叉。
使用微波谐振器读出的信噪比(SNR)随输入微波辐射功率(Vapp)的变化而变化。理想地，在没有饱和效应的情况下，反射信号应与此功率线性地成比例。然而，由于|0>→|±1>透射的饱和，存在功率电平，如果高于所述功率电平，则输入微波辐射功率的增大会使反射信号(Vrms)中的收益减小。因此，应选择输入微波功率电平，以根据施加的偏置场
Figure BDA0003033579450000151
来增大或最大化反射信号的斜率。
图8示出了在不同输入微波辐射功率电平下测得的到50Ω阻抗中的微波谐振器读出。当输入微波辐射功率电平为15dBm时，出现最高斜率。图8中的曲线大致给出了理想约翰逊-奈奎斯特噪声限制灵敏度
Figure BDA0003033579450000152
其中kB是玻尔兹曼常数，T是系统温度(以开尔文为单位)，R是电阻(50Ω)，并且B0是施加的磁场。来源于约翰逊-奈奎斯特噪声计算的
Figure BDA0003033579450000153
的因数在频率方面是单侧的。对于15dBm的输入微波辐射，约翰逊-奈奎斯特噪声限制灵敏度为
Figure BDA0003033579450000154
图9示出了固态自旋传感器系统对微波谐振器读出的磁灵敏度与频率之间的关系。使用在10Hz下收集的信号，磁灵敏通道的频谱(上迹线)显示了5kHz到10kHz之间的最小功率谱密度以及2.6pT/√Hz的灵敏度。在读出保真度较高的情况下(例如，由于微波源中的相位噪声较低并且谐振器-自旋-系统耦合更强)，系统的灵敏度可以达到1fT/√Hz或更高。相比而言，最佳ODMR灵敏度水平最低为1-10pT/√Hz。
通过施加在10Hz下变化的测试磁场并且记录由微波谐振器反射的输出微波辐射来测量灵敏度。将微波谐振器和NV调谐到强烈相互作用状态(Δ≈0)，其中色散信号的斜率处于其最大值，且施加的测试磁场在10Hz下约为1μT。这使微波谐振器和NV经历色散和吸收效应，所述色散和吸收效应分到I/Q混频器的同相和正交通道中。然而，由于色散和吸收信号的不同饱和行为，在15dBm的输入微波辐射下，吸收信号几乎完全被抑制并且实际上不具有磁灵敏度。对于较高的微波功率，色散通道保持磁灵敏度。调谐基准臂的相位隔离了色散信号，并且调整输入微波辐射的频率提高了色散信号的SNR。
结论
尽管已经在本文中描述和示出了各种发明实施例，但本领域普通技术人员将容易想到用于执行功能和/或获得结果和/或本文所述的一个或多个优点的多种其它装置和/或结构，并且此类变化和/或修改中的每个都被认为在本文所述的发明实施例的范围内。更一般地，本领域技术人员将容易理解，本文描述的所有参数、尺寸、材料和构造均是示例性的，并且实际参数、尺寸、材料和/或构造将取决于发明示教用于的一个或多个特定应用。本领域的技术人员顶多使用常规实验即可认识到或能够确定本文所描述的特定发明性实施例的许多等同物。因此，应当理解，前述实施例是仅作为实例给出，并且在所附权利要求及其等同物的范围内，可以不同于具体描述和要求保护的方式来实践发明性实施例。本公开的发明实施例涉及本文所述的每个单独的特征、系统、物品、材料、套件和/或方法。此外，两个或更多个此类特征、系统、物品、材料、套件和/或方法(如果此类特征、系统、物品、材料、套件和/或方法并非互不一致)的任何组合包含在本公开的发明性范围内。
同样，多种发明性概念可以实施为一种或多种方法，其中已提供实例。作为方法的一部分执行的动作可以用任何合适的方式排序。因此，可以构造按不同于所说明的次序执行动作的实施例，其可以包含同时执行一些动作，即使在说明性实施例中展示为依序的动作也是如此。
应理解，如本文中定义和使用的所有定义都优先于字典定义、以引用的方式并入的文档中的定义和/或定义的术语的普通含义。
如本文在说明书和权利要求中所使用的不定冠词“一”除非明确相反指示，否则应理解为意味着“至少一个”。
如本文在说明书和权利要求书中所用，短语“和/或”应理解为意指如此结合的要素中的“任一个或两个”，即，要素在一些情况下结合存在并且在其它情况下分开存在。用“和/或”列出的多个要素应以相同方式解释，即，要素中的“一个或多个”如此结合。除了由“和/或”子句具体指出的元件之外，还可以任选地存在其它元件，无论与具体指出的那些元件相关还是无关。因此，作为非限制性实例，当结合开放式语言(例如“包括”)使用时，提及“A和/或B”在一个实施例中可以仅指A(任选地包含除B之外的元素)；在另一个实施例中仅指B(任选地包含除A之外的元素)；在又一个实施例中，兼指A和B(任选地包含其它元素)；等等。
如本文在本说明书和权利要求书中所用，“或”应理解为具有与如上所定义的“和/或”相同的含义。举例来说，当在列表中分隔多个项目时，“或”或“和/或”将解释为包含性的，即，包含至少一个，但也包含数个要素或要素列表中的一个以上要素和任选地额外未列出的项目。只有明确相反指示的术语，如“仅仅……中的一个”或“恰好……中的一个”或当在权利要求书中使用时“由……组成”将指的是包括多个元件或元件列表中的恰好一个元件。一般来说，如本文中所用的术语“或”当前面是例如“任一”、“……中的一个”、“仅……中的一个”或“恰好……中的一个”等排它性术语时，仅应解释为指示排它性替代方案(即，“一个或另一个但并非两者”)。“基本上由……组成”当在权利要求书中使用时，应具有如其在专利法领域中所用的普通含义。
如本文在说明书和权利要求书中所使用的，在提及一个或多个元件的列表时，短语“至少一个”应理解为指选自该元件列表中的任何一个或多个元件的至少一个元件，但不一定包含元件列表中具体列出的每个元件中的至少一个，并且不排除元件列表中的元件的任何组合。此定义还允许除了元素列表内具体识别的短语“至少一个”所指的元素之外的元素可任选地存在，无论其是否与具体识别的那些元素相关。因此，作为非限制性实例，在一个实施例中，“A和B中的至少一个”(或，等同地，“A或B中的至少一个”，或等同地，“A和/或B中的至少一个”)可以指代至少一个，任选地包含多于一个A，而不存在B(并且任选地包含除了B之外的元件)；在另一实施例中，可以指代至少一个，任选地包含多于一个B，而不存在A(并且任选地包含除了A之外的元件)；在又一实施例中，可以指代至少一个，任选地包含多于一个A，和至少一个、任选地包含多于一个B(并且任选地包含其它元件)；等。
在权利要求书中以及在上述说明书中，例如“包括”、“包含”、“带有”、“具有”、“含有”、“涉及”、“容纳”、“由……组成”等所有连接词应理解为是开放的，即，意指包含但不限于。如美国专利局专利审查程序手册第2111.03节所述，只有过渡短语“由…组成”和“基本上由…组成”才应分别是封闭的或半封闭的过渡短语。

Claims (22)

1.一种传感器系统，包括：
微波谐振器；
固态主体，所述固态主体电磁耦合到所述微波谐振器并且包含自旋缺陷中心；
微波辐射源，所述微波辐射源与所述微波谐振器和所述自旋缺陷中心电磁通信，用于将微波辐射施加到所述微波谐振器和所述自旋缺陷中心，所述微波谐振器增强所述微波辐射与所述自旋缺陷中心之间的相互作用；以及
检测器，所述检测器与所述微波谐振器和所述自旋缺陷中心电磁通信，用于测量在与所述自旋缺陷中心相互作用之后离开所述微波谐振器的所述微波辐射的幅值和/或相位。
2.根据权利要求1所述的传感器系统，其中所述检测器被配置成感测所述微波辐射的所述幅值和/或所述相位响应于由应用于所述自旋缺陷中心的物理参数引起的所述自旋缺陷中心的谐振频率的偏移而发生的变化。
3.根据权利要求1所述的传感器系统，其中所述检测器是具有基准臂的零差传感器。
4.根据权利要求1所述的传感器系统，其中所述检测器是零差检测器，所述零差检测器被配置成以零差频率对关于使所述自旋缺陷中心的谐振频率偏移的物理参数的信息进行编码。
5.根据权利要求1所述的传感器系统，进一步包括：
光激励源，所述光激励源与所述自旋缺陷中心光通信，以将所述自旋缺陷中心激励到期望量子态。
6.根据权利要求1所述的传感器系统，进一步包括：
处理器，所述处理器可操作地耦合到所述检测器，以基于所述微波辐射的所述幅值和/或所述相位来确定所述自旋缺陷中心经历的物理参数。
7.根据权利要求6所述的传感器系统，其中所述微波辐射源被配置成基于所述处理器确定的所述物理参数来改变所述微波辐射。
8.根据权利要求6所述的传感器系统，其中所述处理器被配置成基于所述微波辐射的所述幅值和/或相位来确定所述自旋缺陷中心的量子态。
9.根据权利要求1所述的传感器系统，进一步包括：
致动器，所述致动器可操作地耦合到所述微波谐振器，以改变所述微波谐振器的谐振频率。
10.根据权利要求9所述的传感器系统，其中所述致动器包括压电元件、变容二极管、可调谐电容器或可切换电容器组中的至少一个。
11.根据权利要求9所述的传感器系统，其中所述致动器被配置成通过改变电容来改变所述微波谐振器的所述谐振频率。
12.根据权利要求9所述的传感器系统，其中所述致动器被配置成通过改变电感来改变所述微波谐振器的谐振频率。
13.根据权利要求9所述的传感器系统，其中将多个频调施加到所述致动器使所述微波谐振器同时在多个频率下谐振。
14.根据权利要求9所述的传感器系统，其中所述致动器包括动态控制电容，所述动态控制电容被配置成允许所述微波谐振器同时在多个频率下谐振。
15.一种用包含固态主体的微波谐振器来测量物理参数的方法，所述方法包括：
使所述固态主体中的自旋缺陷中心受所述物理参数影响，所述物理参数使所述自旋缺陷中心的谐振频率相对于所述微波谐振器的谐振频率偏移；
用微波波形来探测所述自旋缺陷中心的所述谐振频率相对于所述微波谐振器的所述谐振频率的所述偏移；
测量从所述微波谐振器和所述自旋缺陷中心透射和/或反射的所述微波波形；以及
基于所述从所述微波谐振器和所述自旋缺陷中心透射和/或反射的所述微波波形来确定所述物理参数的幅值和/或方向。
16.根据权利要求15所述的方法，其中测量所述微波波形包括测量所述微波波形的同相和正交分量。
17.根据权利要求15所述的方法，其中测量所述微波波形包括感测所述自旋缺陷中心的所述谐振频率相对于所述微波谐振器的所述谐振频率的所述偏移，其对比率为至少95％。
18.根据权利要求15所述的方法，其中确定所述物理参数的所述幅值和/或所述方向包括以至少0.1的读出保真度来测量所述物理参数。
19.一种磁场传感器，包括：
谐振电路，所述谐振电路包括：
微波谐振器；
固态主体，所述固态主体接近所述微波谐振器，所述固态主体具有自旋缺陷中心，所述自旋缺陷中心响应于外部磁场而使所述微波谐振器的谐振频率偏移；
微波源，所述微波源与所述谐振电路电磁通信，以用微波辐射来探测所述微波谐振器的所述谐振频率；
微波检测器，所述微波检测器与所述微波谐振器电磁通信，以检测探测所述微波谐振器的所述谐振频率的所述微波辐射；以及
处理器，所述处理器可操作地耦合到所述微波检测器，以基于所述检测器检测到的所述微波辐射来确定所述外部磁场的量值和/或方向。
20.根据权利要求19所述的磁场传感器，其中所述外部磁场改变所述自旋缺陷中心在不同量子态之间的布居分布。
21.根据权利要求19所述的磁场传感器，其中所述微波检测器被配置成检测所述微波辐射的同相和正交分量。
22.根据权利要求19所述的磁场传感器，进一步包括：
锁定电路系统，所述锁定电路系统可操作地耦合到所述微波源和所述微波检测器，以将所述微波辐射的频谱分量锁定到所述微波谐振器的所述谐振频率。
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