CN117546034A - 利用电子塞曼分裂的设备 - Google Patents
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Abstract
一种利用电子塞曼分裂效应的设备包括包含至少一个自旋缺陷的固态材料。该设备还包括被配置为生成偏置磁场的磁场发生器，以及用于补偿温度变化对偏置磁场的影响的补偿系统。该补偿系统包括被配置为测量磁场发生器的温度和温度变化中的任何一个的温度传感器，以及被配置为确定由于所测量的温度或所测量的温度变化的变化而导致的偏置磁场的变化的计算机设备。该计算机设备还被配置为使用所确定的偏置磁场的变化来调整预定的偏置磁场值，并使用该值作为补偿系统的输入来补偿温度变化对偏置磁场的影响。
Description
技术领域
本发明涉及利用电子塞曼(Zeeman)效应的设备领域，特别是包含金刚石材料的设备。
背景技术
诸如磁力计之类的传感器设备可以使用单晶金刚石传感器来形成，该传感器在其晶格中包含自旋缺陷。自旋缺陷的示例是氮空位(NV)中心。在WO2009/073736和US2010/0315079中描述了示例性磁力计。
基于自旋的磁场传感器原理的一个关键方面是电子塞曼效应，它描述了缺陷中不成对电子的磁偶极矩与磁场之间的相互作用。在诸如电子自旋(S)为1的金刚石NV中心之类的缺陷中，这会导致基态自旋能级(MS±1)的能量分裂，该能量分裂与沿着缺陷的<111>对称轴投影的磁场成比例。这种能量分裂可以通过扫描所施加的射频(RF)频率同时用绿光光学激发缺陷并检测NV相关发光程度(光学检测的磁谐振或ODMR模态)或通过测量生成的光电流(光检测磁谐振，或PDMR)来测量。利用这种能量分裂的认知，然后可以确定磁场。
磁力计通常使用偏置磁体来施加固定且已知的磁场。该偏置磁场有不同的用途，这取决于所使用的确切方法。
在利用微波频率波的静态或时变应用的实施方式(称为实施方式1)中，偏置场(Bbias)用于在频率上分离两个ΔMS±1跃迁，以及(最多)四对与NV中心可能占据的(最多)四个对称相关位点(四个允许的<111>轴)相关联的线。以这种方式，谐振线在频率上充分分离，使得(最多)八组谐振线中的每一组都可以被单独寻址，如图1中所示，其中磁场沿着(18，29)度(球面极theta(θ)，phi(φ)表示法)的角度定向，其中[111]被定义为(54.7，45)度。为了观察所有谐振线，必须选择Bbias的取向，使得其与每个对称<111>轴形成不同的角度。然后，通过测量它们的频率位置，可以使用它们的绝对位置或它们的间隔来提取入射在金刚石上的总向量磁场(Btotal)。在后一种情况下，金刚石中的温度变化问题(由于NV中心的零场参数的变化而导致线位置偏移)被消除。然后经由Bunknown＝Btotal-Bbias提取关注的磁场，其中Bbias或者由于磁场的设计而已知，或者它可以由传感器本身通过使用屏蔽容器中的传感器测量磁场来确定。这种实施方式中Bbias的典型值为～1-10mT。
使用金刚石中的NV中心的磁场传感器的替代方法(称为实施方式2)无需应用微波(“无RF”技术)，这在一些应用中具有优势，特别是那些关注在低温下进行测量的应用。这是因为RF的应用会导致发热。在这种情况下，需要Bbias＝102.4mT的精确偏置场，以便利用三重态基态中的能级反交叉，其减少NV中心的发光输出。磁场的变化(假设是由于Bunknown的变化)然后导致发光增加。
电子-塞曼相互作用和已知静磁场的应用对于固态材料中自旋缺陷的其它感测模式/使用情况也至关重要。例如，金刚石中的NV也已被证明作为RF频谱分析仪，其中在金刚石板上设置磁场梯度，如WO2016/066532中所描述的。通过测量作为跨金刚石样品的位置的函数的发光(对应于变化B)，可以解析入射到金刚石样品上的RF频率的频谱。
此外，金刚石还被证明作为利用NV中心(在US20170077665A1中描述)和塞曼相互作用的微波激射器(MASER)。在这种情况下，受控磁场与谐振器组合被用于调谐所生成微波的发射频率。
发明内容
NV中心在用于磁力测量时被描述为一种“免校准”的磁场测量手段。但是，从上面的描述可以认识到，在这两种情况下，Bbias必须是已知的并且必须是稳定的，因为NV中心测量是Btotal，并且Bunknown是通过使用从Btotal减去Bbias来测量的。
由于其高磁通密度/重量，通常在此类设置中利用一个/多个永磁体(通常由钕(NeFeB)制成)来提供Bbias。由于设置的尺寸和简单性以及短期稳定性，这可能优于使用电磁线圈。电磁线圈生成稳定的Bbias需要稳定的电流源。
已经认识到需要考虑金刚石温度的变化。但是，之前没有考虑过的一个领域是温度变化的问题及其对Bbias的影响。随着环境温度的变化，永磁体的磁场会表现出对应的可逆变化。
考虑实施方式1，NeFeB磁体在低于退磁温度(例如，-130℃至80℃)的温度下表现出～0.12％/℃的磁场变化。取1mT的Bbias值，这意味着0.1℃的温度变化将使Bbias改变120nT。对于在一段时间内测量Btotal的基于NV的金刚石传感器，例如用于导航或拒绝GPS应用，这将导致Bunknown出现这个数量级的测量误差。对于许多应用来说，通过定期将传感器放入屏蔽盒中来重复“调零”过程既不理想也不实用。
对于实施方式2中描述的一些无RF应用，由于设置，温度稳定性可能比实施方式1更好。例如，无RF应用可以用于低温恒温器中进行受控低温测量。但是，在非温控情况下，随着所需磁场的增加，对Bbias不稳定性的影响可能会更加严重；在这种情况下，0.1℃的偏移会使Bbias改变>0.012mT。
因此，认识到为了使用金刚石中的NV中心生产长期稳定且无漂移的磁场传感器，还需要稳定的偏置场，或者必须以独立的方式补偿/测量Bbias随温度变化的影响。目的是提供该问题的解决方案。
在前面讨论的其它感测方式/用途中，稳定的施加磁场也至关重要。例如，在RF频谱分析仪的情况下，所施加的磁场梯度的稳定性会影响测量的微波频率的准确性，而在MASER的情况下，静态场会影响发射微波的效率和稳定性。
根据第一方面，提供了一种利用电子塞曼分裂效应的设备。该设备包括包含至少一种自旋缺陷的固态材料。该设备还包括被配置为生成偏置磁场的磁场发生器，以及用于补偿温度变化对偏置磁场的影响的补偿系统。这确保了在温度变化影响偏置磁场的情况下，补偿确保设备仍然可以给出准确的读数。该补偿系统包括温度传感器，该温度传感器被配置为测量磁场发生器的温度和温度变化中的任何一个。该补偿系统还包括计算机设备，该计算机设备被配置为确定由于所测量的温度或所测量的温度变化的变化而引起的偏置磁场的变化，该计算机设备还被配置为使用所确定的偏置磁场的变化来调整预定的偏置磁场值并且使用该值作为补偿系统的输入来补偿温度变化对偏置磁场的影响。这种补偿不会直接改变偏置磁场发生器的任何参数，而只是使用计算出的值来考虑偏置磁场的变化。
合适的固态材料的示例包括金刚石材料和碳化硅。
在固态材料是金刚石材料的示例中，金刚石材料可以选自纳米晶体、块状金刚石样品或包括具有不同性质的金刚石区域的复合金刚石样品中的任意一种。
作为选项，自旋缺陷选自带负电的氮空位中心、硅空位中心、镍相关缺陷、铬相关缺陷、锡空位中心和锗空位中心中的任意一种。
在可选的实施例中，固态材料是温度传感器，固态材料与磁场发生器处于热平衡，并且温度的变化由自旋缺陷的零场分裂值的漂移确定。
在可选的实施例中，该设备包括部署在固态材料和磁场发生器之间并与固态材料和磁场发生器两者接触的中间材料，该中间材料被选择为在固态材料和磁场发生器之间传导热量。
作为选项，该设备是磁力计。在这种情况下，固态材料包括靠近至少一个自旋缺陷的感测表面，并且磁力计还包括检测器，其被配置为检测与自旋缺陷的电子自旋相关的输出光辐射或光电流。该设备还可以包括被配置为生成光辐射的光源和被配置为生成RF辐射的RF源中的任何一个。
作为选项，该设备选自磁力计、微波激射器和RF传感器中的任何一个。
根据第二方面，提供了一种使用利用电子塞曼分裂效应的设备的方法。该方法包括提供包括固态材料的设备，该固态材料包含至少一种自旋缺陷。使用磁场发生器生成偏置磁场。使用补偿系统，该补偿系统被配置为补偿温度变化对偏置磁场的影响。该补偿系统包括用于测量磁场发生器的温度和温度变化中的任何一个的温度传感器，该补偿系统还包括计算机设备，该计算机设备被配置为确定由于所测量的温度或所测量的温度变化的变化而导致的偏置磁场的变化，该计算机设备还被配置为使用所确定的偏置磁场的变化来调整预定的偏置磁场值并且使用该值作为补偿系统的输入来补偿温度变化对偏置磁场的影响。
作为选项，固态材料选自金刚石材料和碳化硅中的任意一种。
作为另外的选项，固态材料本身用于测量温度，固态材料与磁场发生器处于热平衡，并且温度的变化由自旋缺陷的零场分裂值的漂移确定。
可选地，中间材料部署在固态材料和磁场发生器之间并与固态材料和磁场发生器热接触，该中间材料被选择为在固态材料和磁场发生器之间传导热量。
附图说明
现在将通过示例并参考附图来描述非限制性实施例，其中：
图1示出了相对于偏置场的谐振线位置；
图2以框图示意性地图示了使用磁通分流器的示例性传感器设备；
图3以框图示意性地图示了使用温度传感器的示例性传感器设备；
图4以框图示意性地图示了使用金刚石作为温度传感器的示例性传感器设备；
图5是示出用于校准使用金刚石作为温度传感器的传感器设备的示例性步骤的流程图；
图6是示出使用传感器设备的示例性步骤的流程图；以及
图7示出了来自ODMR的示例性独特且可分辨的谐振线。
具体实施方式
为了确保在获得Bunknown时考虑由温度变化引起的Bbias的变化，本发明人提供了补偿系统来补偿温度变化对磁场的影响。
以下描述呈现了补偿系统的三种示例性类型，注意的是，传感器设备可以利用示例性补偿系统中的一种、任意两种或全部三种。还要注意的是，下面描述了使用金刚石进行电子塞曼分裂的设备，但这仅是示例性的，并且本领域技术人员将认识到，利用电子塞曼分裂效应的设备可以使用其它类型的材料，诸如碳化硅。
虽然在本发明的范围之外，但是第一类型的补偿系统需要使用磁通分流器来实现补偿方案。Bbias的变化可以通过另一个磁场有效地补偿。
第二种类型的补偿系统需要定期精确测量永久偏置磁体的温度(或温度变化)，并将温度变化从标称值映射到磁场的预期变化，并相应地更改Bbias的值。
第三种类型的补偿系统是第二种类型的变体。金刚石本身被配置为与(一个或多个)永久偏置磁体处于热平衡，并且使用金刚石本身的自旋缺陷来测量金刚石(并且因此偏置磁体)的温度。例如，可以通过使金刚石传感器与永久偏置磁体热接触来实现热平衡。
以下描述涉及金刚石中的NV自旋缺陷，但是应该认识到的是，也可以使用其它自旋缺陷，诸如SiV中心或表现出自旋极化和自旋读出的合适性质的任何其它缺陷。
采用仅是示例性的并且在本发明的范围之外的第一种类型的补偿系统，通过添加具有与主要磁性材料的温度系数相反的温度系数的软磁材料来“分流”(一个或多个)偏置磁体。Kim和Doose，“Temperature compensation of NdFeB permanent magnets”，Proceedings of the 1997Particle Accelerator conference”中描述了基本概念。在这种情况下，提供磁通分流器用于诸如带电束存储环之类的应用，以及用于创建加速度计、扭矩器和陀螺仪。这种系统还可以用于使用金刚石晶格中的NV中心进行磁力测量。
如Kim和Doose中所描述的，“在较低温度下，分流器磁导率会增加，从而使分流器能够承载或转移来自磁体气隙的更多磁通。在较高温度下，存在相反的情况：分流器磁导率降低，并且转移的气隙磁通较少。为了具有更高的温度敏感性，分流器材料应该具有接近环境温度的居里点。由居里合金(30-32％ Ni-Fe)和蒙特尔合金(67％Ni-Cu-Fe)制成的分流器材料具有低于100℃的相对低的居里温度”。
在金刚石磁力测量的应用中，补偿条可以附到该偏置磁体或每个偏置磁体以补偿Bbias随温度的变化。
已经证明，使用这种方法，对于基于NeFeB的永磁体可以实现0.002％/℃的温度系数，这对于基于NV的B场传感器来说非常有利。这对应于温度变化0.1℃时Bbias仅发生2nT的偏移(假设Bbias＝1mT)。以这种方式，这样的传感器可以操作较长的时间段，而不需要重新校准操作来消除温度引起的Btotal漂移。
本文图2以框图示意性地图示了根据第一类型的补偿系统的使用磁通分流器的示例性传感器设备1。注意的是，这仅作为示例，并且在本发明的范围之外。提供了金刚石传感器2，其包含位于感测表面附近的至少一个自旋缺陷。偏置磁体3形式的磁场发生器位于金刚石传感器2附近。分流器材料4也位于偏置磁体附近或与偏置磁体共置。提供了检测器5以检测来自一个或多个自旋缺陷的光辐射或光电流。
现在转向第二种类型的补偿系统，这需要定期精确测量永久偏置磁体的温度(或温度变化)，并将温度变化从标称值映射到磁场的预期变化，并相应地更改Bbias。注意的是，这可以与第一种类型的补偿系统分开使用，或与它一起使用。
参考本文图3，传感器设备6包括金刚石传感器2，其包含位于感测表面附近的至少一个自旋缺陷。提供了具有良好表征的温度系数的偏置磁体7。还提供了精确测量磁体7的温度的温度传感器8。
计算机设备9包括用于从温度传感器8接收温度数据的数据输入设备10。处理器11根据由温度传感器测量的温度变化来计算(或访问查找表12)Bbias的变化。通过使用温度变化与Bbias变化之间的关系执行计算。
以这种方式，可以定期地调整系统Bbias值(以及因此Btotal)以便补偿温度引起的偏移。
可利用便宜的低噪声温度传感器，其可以被安装到磁体上。精确温度的绝对准确并不重要，因为所需要的只是测量温度变化，以将温度变化映射到Bbias的变化。假设测量中的重复性为0.01℃，并结合优化的NeFeB配置的0.002％/℃的增强温度稳定性，0.2nT的偏置场变化应该是可检测到的，并且可以进行补偿。以这种方式，基于NV的传感器测量的Btotal的长期漂移可以通过定期测量温度来降低到这个水平。
现在转向图4，在第三类型的补偿系统中，通过使用NV缺陷本身测量金刚石2的温度来执行磁体7的温度测量。通常，这将与(一个或多个)偏置磁体7分离并且可以通过用于激发NV发光(以及可能施加的RF)的激光/LED来局部加热。因此，对于第二种类型的补偿系统，建议了直接测量磁体7的温度。但是，在第三类型的补偿系统中，认为传感器设备13可以被配置为使得金刚石2和磁体7例如通过在它们之间具有良好的热接触而彼此处于热平衡。可选地，通过使用导热但不影响B场通量的中间材料14来最大化热接触。以这种方式，只要(一个或多个)永磁体的温度系数被很好地表征，就可以监视NV中心的零场分裂值的漂移，并使用测量的温度来校正Bbias。
举例来说，为了校准这样的系统，参考图5，构建期间的以下示例性步骤是：
S1.提供金刚石2和偏置磁体7的组件，它们之间具有良好的热接触14，如图3中所示。
S2.将组件定位在磁屏蔽盒中。
S3.当温度可控变化时，测量如由传感器记录的B。以这种方式，可以确定仅由温度变化引起的偏置场的变化。由于金刚石2位于磁屏蔽盒中，因此知道测量的B的变化仅由Bbias的变化引起。仅当金刚石和偏置场磁体处于热平衡的情况下才需要这种校准过程。
S4.创建温度变化(如由金刚石中的NV中心测量)和Bbias之间的校准映射。校准映射可以存储在查找表12或数据库中，在操作期间可由处理器11访问以随温度变化校正Btotal。
当传感器设备在使用时，可以发生以下如图6中所示的示例性步骤：
S5.提供一种包括固态材料的设备，该固态材料包含至少一个自旋缺陷；
S6.使用磁场发生器生成偏置磁场；
S7.提供补偿系统，其被配置为补偿温度变化对偏置磁场的影响。如上所述，这是基于温度测量来补偿偏置磁场的值，并且可以与磁通分流器组合使用。
举例来说，磁场发生器可以由非温度稳定的NeFeB磁体组成。它被配置为具有沿着某个方向的磁场，其使得相对于包含金刚石的NV中的四个<111>NV轴中的每一个具有不同的取向，并且该磁场具有足够的强度来解析所有8个谐振线(需要向量感测模式)。在这个示例中，构建的传感器沿着(18，29)°的角度具有大约6mT的磁场强度，其中这是在球面极角度意义上(其中[111]被定义为(54.7,45)°)指定的。图7示出了最终的ODMR以及如何清楚地解析不同的谐振线。图1示出了谐振线的分裂如何随着该固定角度下的偏置场强度而变化。这说明，在实践中，由于谐振线的有限宽度(与相干时间成反比)和附加的N超精细分裂，所施加的偏置场必须>2mT才能清晰地解析线。如果偏置场由于温度变化而波动，那么这通过基于所测量的温度或所测量的温度变化的计算进行补偿，可以补偿偏置磁场的变化。然后将补偿后的偏置磁场用于进一步的计算。
已经参考上述实施例示出并描述了所附权利要求中限定的本发明。但是，本领域技术人员将理解，在不脱离由所附权利要求限定的本发明的范围的情况下，可以进行形式和细节上的各种改变。
此外，虽然以上描述集中于磁力计，但是诸如微波激射器之类的其它应用可以受益于补偿温度变化对偏置磁场的影响的补偿系统。
基于金刚石的室温微波激射器利用了这样的事实：如果您施加足够的磁场(>102.5mT)，那么NV缺陷的MS＝-1状态将低于MS＝0状态。在光波长(例如，532nm)下施加照射会将NV缺陷泵入到MS＝0中，从而产生粒子数(population)反转。如果腔体中包含固态材料(诸如包含NV的金刚石)(针对磁场和微波波长进行了优化)，那么受激发射可以生成相干微波源。
如上所述，温度变化会引起所施加的磁场的变化，这改变了MS＝-1状态和MS＝0状态之间的能隙，从而改变了发射波长。在一些情况下，微波激射器可能会受到温度变化的环境影响(例如，基于空间的应用)。这可以改变所施加的磁场的强度，从而改变发射的波长。因此，在这种情况下，了解温度变化对发射波长的影响，或者使用补偿系统来补偿这些变化是有用的。
Claims (14)
1.一种利用电子塞曼分裂效应的设备，所述设备包括：
固态材料，其中所述固态材料包含至少一个自旋缺陷；
磁场发生器，被配置为生成偏置磁场；
补偿系统，用于补偿温度变化对偏置磁场的影响；
其中所述补偿包括温度传感器和计算机设备，所述温度传感器被配置为测量磁场发生器的温度和温度变化中的任何一个，所述计算机设备被配置为确定由于所测量的温度或所测量的温度变化的变化而导致的偏置磁场的变化，所述计算机设备还被配置为使用所确定的偏置磁场的变化来调整预定的偏置磁场值，并使用所述值作为所述补偿系统的输入来补偿温度变化对偏置磁场的影响。
2.根据权利要求1所述的设备，其中所述固态材料选自金刚石材料和碳化硅中的任意一种。
3.根据权利要求1所述的设备，其中所述固态材料是金刚石材料，所述金刚石材料选自纳米晶体、块状金刚石样品或包括具有不同性质的金刚石区域的复合金刚石样品中的任意一种。
4.根据权利要求3所述的设备，其中所述自旋缺陷选自带负电的氮空位中心、硅空位中心、镍相关缺陷、铬相关缺陷、锡空位中心和锗空位中心中的任意一种。
5.根据权利要求1至4中的任一项所述的设备，其中所述固态材料是温度传感器，所述固态材料与所述磁场发生器处于热平衡并且温度变化由自旋缺陷的零场分裂值的漂移确定。
6.根据权利要求1至4中的任一项所述的设备，还包括部署在所述固态材料和所述磁场发生器之间并且与所述固态材料和所述磁场发生器两者接触的中间材料，所述中间材料被选择为在所述固态材料和所述磁场发生器之间传导热量。
7.根据权利要求1至6中的任一项所述的设备，其中所述设备是磁力计，并且其中：
所述固态材料包括靠近所述至少一个自旋缺陷的感测表面；以及
所述磁力计还包括检测器，所述检测器被配置为检测与自旋缺陷的电子自旋相关的输出光辐射或光电流。
8.根据权利要求7所述的设备，还包括被配置为生成光辐射的光源。
9.根据权利要求7或8中的任一项所述的设备，还包括被配置为生成RF辐射的RF源。
10.根据权利要求1至6中的任一项所述的设备，其中所述设备选自磁力计、微波激射器以及RF传感器或频谱分析仪中的任意一种。
11.一种使用利用电子塞曼分裂效应的设备的方法，所述方法包括：
提供包括固态材料的设备，所述固态材料包含至少一个自旋缺陷；
使用磁场发生器生成偏置磁场；
使用被配置为补偿温度变化对偏置磁场的影响的补偿系统；以及
其中所述补偿系统包括用于测量所述磁场发生器的温度和温度变化中的任何一个的温度传感器，所述补偿系统还包括被配置为确定由于所测量的温度或所测量的温度变化的变化而导致的偏置磁场的变化的计算机设备，所述计算机设备还被配置为使用所确定的偏置磁场的变化来调整预定的偏置磁场值，并使用所述值作为所述补偿系统的输入来补偿温度变化对偏置磁场的影响。
12.根据权利要求11所述的方法，其中所述固态材料选自金刚石材料和碳化硅中的任意一种。
13.根据权利要求11或12所述的方法，还包括使用所述固态材料来测量温度，所述固态材料与所述磁场发生器处于热平衡，并且温度变化由自旋缺陷的零场分裂值的漂移确定。
14.根据权利要求13所述的方法，还包括提供部署在所述固态材料和所述磁场发生器之间并与所述固态材料和所述磁场发生器热接触的中间材料，所述中间材料被选择为在所述固态材料和所述磁场发生器之间传导热量。
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