JP2021536565A - アンサンブル固体スピンセンサのマイクロ波共振器読み出し - Google Patents
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Abstract
Description
本出願は、米国特許出願第62/723,113号(2019年8月27日出願)の米国特許法119条(e)の下での優先権利益を主張し、参照によりその全体が本明細書に組み込まれる。
本発明は、米国空軍によって授与された認可番号FA8702−15−D−0001の下、政府支援により行われた。政府は本発明において特定の権利を有する。
図2Aおよび図2Bは、固体スピンセンサのマイクロ波共振器による読み出しが光学読み出しとはどのように違うのかを図示する。図2Aは、従来の光学読み出し200を図示する。光学放射201およびマイクロ波放射203は、結晶ホスト中の色中心欠陥の固体スピン211に照射され、固体スピン211のアンサンブルまたは集団を所望の量子状態分布に配置する。センサによって測定される物理的パラメータ205(磁場、電場、圧力、または温度など)は、固体スピン211の異なる量子状態において相対集団を変化させる。固体スピンの相対集団の変化は、固体スピン211によって照射された異なる量のフォトルミネッセンス221に反射される。フォトルミネッセンス221の変化は、せいぜい約0.01の忠実度で検出されうる。
図3Aは、マイクロ波共振器による読み出しを有する固体スピンセンサシステム300を示す。固体スピンセンサシステム300は、複合マイクロ波共振器380によって画定されたマイクロ波空洞中に固体スピンセンサ310を含み、これはスピン中心欠陥のアンサンブルを包含する固体状態のホストである。適切な固体スピンセンサ310は、ダイヤモンド中のNVとシリコン空孔、炭化ケイ素中の複空孔、および酸化マグネシウム中のサファイア、ニッケル、コバルト中のチタン、クロム、マンガン、鉄、コバルト、ニッケルの欠陥を含む。アクチュエータ382は、複合マイクロ波共振器380の共振周波数を調整する。任意のバイアス磁石314は、任意のバイアス磁界を固体スピンセンサ310のスピン中心欠陥に印加し、欠陥のマイクロ波共振を分割する。また、任意の試験コイル318を使用して、固体スピンセンサシステム300を試験または較正するための固体スピンセンサ310に既知の時間変化磁場を印加することができる。
図3Bは、複合マイクロ波共振器380の長手方向断面を示す。マイクロ波共振器380は、固体スピンセンサ310のスピン中心欠陥と入力マイクロ波放射との間の相互作用を強化する。固体スピンセンサ310は、誘電体共振器384によって形成されたマイクロ波空洞381の中に位置し、これはハウジング(アルミニウムレンズ管390)中のテフロン保持リング392と396の間に挟まれている。(マイクロ波空洞381はまた、銀でメッキされたサファイアなどの導電性材料でメッキ加工された金属ループギャップ共振器または絶縁材料によって形成されてもよい。)複合マイクロ波共振器380はまた、平面素子から構成することができ、スプリットリング共振器、1/4波長共振器、パッチアンテナ、または任意の他の適切なマイクロ波共振器として実装することができる。半絶縁炭化ケイ素基材394は、空洞381中の固体スピンセンサ380を支持し、固体スピンセンサ380からの熱を放散する。
図4A〜4Cは、図3Aの固体スピンセンサシステム300でのマイクロ波共振器による読み出しを用いた磁場測定を図示する。磁場は、スピン欠陥中心の
いかなる特定の理論に束縛されるものではないが、固体スピンセンサおよびマイクロ波共振器は、集中素子回路部品を有する古典的RLC共振器として記述されうる。これらの集中素子回路部品は、スピン中心欠陥と測定すべき物理的パラメータとの間の相互作用の結果として、およびスピン中心欠陥とマイクロ波共振器の間の結合の結果として変化する。この回路の特性評価は、回路に対するマイクロ波放射入射の反射係数および透過係数の単純な計算をもたらす。
図3Aに示す固体スピンセンサシステム300は、磁場のマイクロ波共振器システムとODMRによる同時測定を行うために構築され使用された。固体スピンセンサは、窒素空孔でドープされた、市販の天然高圧高温(HPHT)処理ダイヤモンドであった。ダイヤモンドは、特に高いNV密度(従来の電子常磁性共鳴法を使用して測定した>1017/cm3)を有し、線幅はγ=8MHzであった。ダイヤモンドは、誘電体共振器(DR)スタックの中に機械加工された空洞に取り付けられた。図3Bのダイヤモンド、誘導体共振器スタック、および炭化ケイ素基板の有効共振周波数は2.940 GHzであり、無負荷Q値(Q0)は約22,000であった。入力および出力の結合ループは、DRスタックと同軸でアルミニウムシールドに入り、共振器TE10δモードへの結合を可能にした。
図7は、単調に増加するDCバイアス磁場(B0)下で反射および透過された出力マイクロ波放射を監視することによって得られた、ドライブ空洞(δ=ω−ω0)とスピン空洞(Δ=ω0−ωs)の離調を比較する二次元プロット図を示す。χ0上段の2つのプロット図は、上述した等価回路モデルを使用するマイクロ波共振器・NV相互作用のシミュレーションであり、静的感度およびNVT1を自由パラメータとして使用してデータを適合
発明に関する様々な実施形態を本明細書に記述し、かつ例示してきたが、当業者は、本明細書に記載の機能を実施するための、ならびに/または結果および/もしくは1つ以上の利点を得るための、様々な他の手段および/または構造を容易に想定し、そのような変形および/または修正のそれぞれは、本明細書に記載の発明に関する実施形態の範囲内であるものと見なされる。より一般的に、当業者は、本明細書に記載のすべてのパラメータ、寸法、材料、および構成が例示であることを意味することと、実際のパラメータ、寸法、材料、および/または構成が、本発明の教示が使用される特定の用途(複数可)に依存することとを容易に理解するであろう。当業者は、本明細書に記載の特定の発明に関する実施形態の多くの同等物を、単に通常の実験を用いて認識し、または確認することができるであろう。従って、前述の実施形態は、例としてのみ提示されていて、添付の特許請求の範囲およびその均等物の範囲内で、発明に関する実施形態は、具体的に記述および特許請求される以外の形で実践されうることが理解される。本開示の発明に関する実施形態は、本明細書に記載の個々の特徴、システム、物品、材料、キット、および/または方法を対象とする。加えて、二つ以上のこのような特徴、システム、物品、材料、キット、および/または方法の任意の組み合わせは、このような特徴、システム、物品、材料、キット、および/または方法が相互に矛盾しない場合、本開示の発明の範囲内に含まれる。
Claims (22)
- センサシステムであって、
マイクロ波共振器と、
前記マイクロ波共振器に電磁結合され、スピン欠陥中心を包含する固体ホストと、
前記マイクロ波共振器および前記スピン欠陥中心と電磁通信して、マイクロ波放射を前記マイクロ波共振器および前記スピン欠陥中心に照射するマイクロ波放射源であって、前記マイクロ波共振器が前記マイクロ波放射と前記スピン欠陥中心の間の相互作用を増強する、マイクロ波放射源と、
前記マイクロ波共振器および前記スピン欠陥中心と電磁通信して、前記スピン欠陥中心との相互作用の後に前記マイクロ波共振器から出る前記マイクロ波放射の振幅および/または位相を測定する検出器と、を備える、センサシステム。 - 前記スピン欠陥中心に適用された物理的パラメータによって引き起こされた前記スピン欠陥中心の共振周波数のシフトに応答して、前記検出器が前記マイクロ波放射の前記振幅および/または前記位相の変化を感知するように構成されている、請求項1に記載のセンサシステム。
- 前記検出器が、基準アームを有するホモダインセンサである、請求項1に記載のセンサシステム。
- 前記検出器が、ヘテロダイン周波数にて、前記スピン欠陥中心の共振周波数をシフトさせる物理的パラメータについての情報を符号化するように構成されたヘテロダイン検出器である、請求項1に記載のセンサシステム。
- 請求項1に記載のセンサシステムであって、
前記スピン欠陥中心と光通信して、前記スピン欠陥中心を所望の量子状態に励起する、光学励起源をさらに備える、センサシステム。 - 請求項1に記載のセンサシステムであって、
前記マイクロ波放射の前記振幅および/または前記位相に基づいて、前記スピン欠陥中心によって経験される物理的パラメータを決定するための、前記検出器に動作可能に結合されたプロセッサをさらに備える、センサシステム。 - 前記マイクロ波放射源が、前記プロセッサによって決定された前記物理的パラメータに基づいて前記マイクロ波放射を変化させるように構成されている、請求項6に記載のセンサシステム。
- 前記プロセッサが、前記マイクロ波放射の前記振幅および/または位相に基づいて前記スピン欠陥中心の量子状態を決定するように構成されている、請求項6に記載のセンサシステム。
- 請求項1に記載のセンサシステムであって、
前記マイクロ波共振器に動作可能に結合され、前記マイクロ波共振器の共振周波数を変化させるアクチュエータをさらに備える、センサシステム。 - 前記アクチュエータが、圧電素子、バラクター、調整可能なコンデンサ、または切替可能なコンデンサバンクのうちの少なくとも一つを含む、請求項9に記載のセンサシステム。
- 前記アクチュエータが、キャパシタンスを変化させることによって前記マイクロ波共振器の前記共振周波数を変えるように構成されている、請求項9に記載のセンサシステム。
- 前記アクチュエータが、インダクタンスを変化させることによって、前記マイクロ波共振器の共振周波数を変えるように構成されている、請求項9に記載のセンサシステム。
- 前記アクチュエータに複数のトーンを適用すると、前記マイクロ波共振器が複数の周波数で同時に共鳴する、請求項9に記載のセンサシステム。
- 前記マイクロ波共振器が複数の周波数で同時に共鳴することを可能にするように構成された、動的に制御されたキャパシタンスを前記アクチュエータが備える、請求項9に記載のセンサシステム。
- 固体ホストを包含するマイクロ波共振器を用いて物理的パラメータを測定する方法であって、前記方法が、
前記固体ホスト中のスピン欠陥中心を、前記物理的パラメータに供し、前記物理的パラメータが、前記マイクロ波共振器の共振周波数に対して前記スピン欠陥中心の共振周波数のシフトを引き起こすことと、
前記スピン欠陥中心の前記共振周波数の前記シフトを、前記マイクロ波共振器の前記共振周波数に対して、マイクロ波波形でプローブすることと、
前記マイクロ波共振器および前記スピン欠陥中心から透過および/または反射された前記マイクロ波波形を測定することと、
前記マイクロ波共振器および前記スピン欠陥中心から透過および/または反射された前記マイクロ波波形に基づいて、前記物理的パラメータの振幅および/または方向を決定することと、を含む、方法。 - 前記マイクロ波波形を測定することが、前記マイクロ波波形の同相成分および直交成分を測定することを含む、請求項15に記載の方法。
- 前記マイクロ波波形を測定することが、前記スピン欠陥中心の前記共振周波数における前記シフトを、前記マイクロ波共振器の前記共振周波数に対して少なくとも95%のコントラスト比で感知することを含む、請求項15に記載の方法。
- 前記物理的パラメータの前記振幅および/または前記方向を決定することが、少なくとも0.1の読み出し忠実度で前記物理的パラメータを測定することを含む、請求項15に記載の方法。
- 磁界センサであって、
共振回路であって、
マイクロ波共振器と、
前記マイクロ波共振器に近い固体ホストであって、前記固体ホストが、外部磁界に応答して前記マイクロ波共振器の共振周波数をシフトさせるスピン欠陥中心を有する、固体ホストと、
前記マイクロ波共振器の前記共振周波数をマイクロ波放射でプローブするための、前記共振回路と電磁通信するマイクロ波源と、
前記マイクロ波共振器の前記共振周波数をプローブする前記マイクロ波放射を検出するための、前記マイクロ波共振器と電磁通信するマイクロ波検出器と、
前記マイクロ波検出器に動作可能に結合され、前記検出器によって検出された前記マイクロ波放射に基づいて、前記外部磁界の大きさおよび/または方向を決定するプロセッサと、を備える、磁界センサ。 - 前記外部磁界が、異なる量子状態間の前記スピン欠陥中心の集団分布を変える、請求項19に記載の磁界センサ。
- 前記マイクロ波検出器が、前記マイクロ波放射の同相成分および直交成分を検出するように構成されている、請求項19に記載の磁界センサ。
- 請求項19に記載の磁界センサであって、
前記マイクロ波源および前記マイクロ波検出器に動作可能に結合され、前記マイクロ波放射のスペクトル成分を前記マイクロ波共振器の前記共振周波数にロックする、ロック回路と、を備える、システム。
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