KR101936205B1 - Temperature measurement device and method using diamond nv center - Google Patents

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KR101936205B1 KR1020170031284A KR20170031284A KR101936205B1 KR 101936205 B1 KR101936205 B1 KR 101936205B1 KR 1020170031284 A KR1020170031284 A KR 1020170031284A KR 20170031284 A KR20170031284 A KR 20170031284A KR 101936205 B1 KR101936205 B1 KR 101936205B1
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김성웅
이규형
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성균관대학교 산학협력단
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Abstract

본 발명은 스핀(spin)의 양자 상태를 변화시키는 마이크로웨이브를 다이아몬드 질소 공공에 인가하고 상기 질소 공공의 스핀의 양자 위상을 측정하여 온도를 측정하는 것을 특징으로 하여, 질소 공공 및 질소 공공에 근접하여 배치되는 측정 대상물의 온도를 높은 민감도로 신속하고 정확하게 측정할 수 있도록 한 다이아몬드 질소 공공 결함을 이용한 온도 측정 장치 및 방법에 관한 것이다.The present invention is characterized in that a microwave for changing the quantum state of spin is applied to the diamond nitrogen vacancy and the temperature is measured by measuring the quantum phase of the spin of the nitrogen vacancy, And more particularly, to a temperature measurement apparatus and method using a diamond nitrogen vacancy defect, which can quickly and accurately measure the temperature of an object to be disposed, with high sensitivity.

Description

다이아몬드 질소 공공 결함을 이용한 온도 측정 장치 및 방법{TEMPERATURE MEASUREMENT DEVICE AND METHOD USING DIAMOND NV CENTER}Technical Field [0001] The present invention relates to a TEMPERATURE MEASUREMENT DEVICE AND METHOD USING DIAMOND NV CENTER,

본 발명은 다이아몬드 질소 공공 결함을 이용한 온도 측정 장치 및 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 다이아몬드 내부의 질소 불순물 스핀을 이용한 양자 센서에 의하여 수 mK 수준의 미세한 온도를 측정할 수 있도록 하는 다이아몬드 질소 공공 결함을 이용한 온도 측정 장치 및 방법에 관한 것이다.The present invention relates to an apparatus and a method for measuring temperature using diamond nitrogen vacancy defects, and more particularly, to a diamond nitrogen vacancy defect measuring method capable of measuring a minute temperature of a few mK by a quantum sensor using a nitrogen impurity spin in a diamond And more particularly, to a temperature measuring apparatus and method using the same.

최근, 다이아몬드 내부의 질소 공공 불순물의 스핀을 이용한 양자센서가 개발되고 있다.Recently, quantum sensors using spins of nitrogen vacancy impurities in diamond have been developed.

이러한 양자 센서는 원자 단위의 우수한 공간 분해능을 지니며, 스트레인에 민감하여, 온도 변화에 의하여 다이아몬드의 미세한 부피 팽창을 측정하여 수십 mK 단위의 높은 온도 민감도를 가지고 있는 것으로, 전자 스핀 공명을 이용한 램지 간섭계(Ramsey interferometry, DC 자기장)와 동적 디커플링(Dynamic decoupling, AC 자기장)에 의하여 온도를 측정하게 된다.These quantum sensors have excellent spatial resolution at the atomic level and are susceptible to strain and have a high temperature sensitivity of several tens of mK by measuring the minute volume expansion of the diamond by temperature change. The Ramsey interferometer (Ramsey interferometry, DC magnetic field) and dynamic decoupling (AC magnetic field).

다시 말해, 이러한 양자 센서는 스핀 양자 상태의 위상세차 주파수가 외부의 온도에 따라 민감하게 변하는 성질을 이용하여 온도를 측정하는 것이다.In other words, such a quantum sensor measures the temperature using the property that the phase rotation frequency of the spin quantum state changes sensitively according to the external temperature.

이러한 램지 간섭계와 동적 디커플링에 따른 시퀀스는 2개의 상태를 준비하고 측정 축 프로젝션용 펄스, 즉 π/4 펄스와 디커플링용 π펄스를 이용하게 된다.Such a Ramsey interferometer and a sequence according to dynamic decoupling will prepare two states and use a pulse for measurement axis projection, that is, a? / 4 pulse and a? Pulse for decoupling.

그러나, 이러한 기존 기술은 펄스 생성기가 가지는 실험적 부정확성으로 인하여 센서의 민감도가 급격히 변화하는 치명적인 문제점이 있었던 것이다.However, this conventional technique has a fatal problem in that the sensitivity of the sensor is rapidly changed due to the experimental inaccuracy of the pulse generator.

공개특허 제10-2005-0085261호Published Japanese Patent Application No. 10-2005-0085261

본 발명은 상기와 같은 문제점을 개선하기 위하여 발명된 것으로, 공명주파수의 변화에 무관하게 이상적인 펄스를 생성하여 온도 측정의 민감도 및 정확도를 향상시킬 수 있도록 하는 다이아몬드 질소 공공 결함을 이용한 온도 측정 장치 및 방법을 제공하기 위한 것이다.Disclosure of Invention Technical Problem [8] The present invention has been made in order to solve the problems described above, and it is an object of the present invention to provide a temperature measurement apparatus and method using diamond nitrogen vacancy defects, which can generate ideal pulses irrespective of changes in resonance frequency, .

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 스핀(spin)의 양자 상태를 변화시키는 마이크로웨이브를 다이아몬드 질소 공공에 인가하고 상기 질소 공공의 스핀의 양자 위상을 측정하여 온도를 측정하는 것을 특징으로 하는 다이아몬드 질소 공공을 이용한 온도 측정 방법을 제공할 수 있다.In order to achieve the above object, the present invention is characterized in that a microwave for changing the quantum state of spin is applied to a diamond nitrogen vacancy and the temperature is measured by measuring the quantum phase of the spin of the nitrogen vacancy It is possible to provide a temperature measurement method using diamond nitrogen vacancy.

여기서, 상기 마이크로웨이브는, 상기 마이크로웨이브가 상기 질소 공공에 인가되도록 설정된 전체시간동안 서로 다른 다수의 진폭을 가지는 것을 특징으로 한다.Here, the microwave is characterized in that the microwave has a plurality of amplitudes that are different from each other for the entire time set to be applied to the nitrogen vacancy.

이때, 상기 마이크로웨이브는, 상기 마이크로웨이브가 상기 질소 공공에 인가되도록 설정된 전체시간 중, 상기 전체시간을 서로 다르거나 같은 길이로 분할한 복수의 분할시간에 대응하는 서로 다른 진폭의 분할 웨이브를 포함하는 것을 특징으로 한다.Here, the microwave may include a divided wave having a different amplitude corresponding to a plurality of divided time periods in which the entire time is divided into different lengths or equal lengths of the whole time set so that the microwave is applied to the nitrogen vacancies .

그리고, 상기 마이크로웨이브는, 상기 마이크로웨이브가 상기 질소 공공에 인가되도록 설정된 전체시간동안 상기 질소 공공에 인가되는 서로 진폭이 같거나 다른 복수의 사인파의 합인 것을 특징으로 한다.The microwave is a sum of a plurality of sinusoidal waves having the same amplitude or different from each other and applied to the nitrogen vacancy for the entire time set so that the microwave is applied to the nitrogen vacancy.

그리고, 상기 전체시간동안 임의의 한 주기의 시작과 끝의 진폭이 0인 다수의 사인파 중 상기 임의의 한 주기가 각각 서로 다른 사인파 성분을 추출하고, 상기 추출된 사인파 성분의 진폭을 변조하여 상기 질소 공공에 인가될 상기 마이크로웨이브를 생성하는 것을 특징으로 한다.The sinusoidal wave components of the arbitrary one period of the plurality of sinusoidal waves whose amplitudes at the start and the end of an arbitrary period are 0 during the entire time are extracted and the amplitudes of the extracted sinusoidal components are modulated, And the microwave to be applied to the cavity is generated.

그리고, 상기 자기장의 측정은, 상기 질소 공공의 스핀 상태를 광학적으로 여기할 수 있는 빔(beam)을 생성하는 광원을 포함하는 공촛점 스캐닝 유닛과, 상기 질소 공공에 인가될 수 있는 상기 마이크로웨브를 생성하는 펄스 생성 유닛과, 상기 질소 공공을 포함한 팁(Tip)이 구비된 NV 센서부와, 광 방사의 흡수 강도 측정이 가능하도록, 상기 빔이 상기 NV 센서부를 통과한 후 출력된 광 방사를 검출하는 검출기를 포함하는 온도 측정 장치를 이용하여 수행되는 것을 특징으로 한다.The measurement of the magnetic field may include a confocal scanning unit including a light source for generating a beam capable of optically exciting the spin state of the nitrogen vacancy and the microwave capable of being applied to the nitrogen vacancy An NV sensor unit provided with a tip including the nitrogen vacancy, and an optical sensor for detecting the light emission after the beam passes through the NV sensor unit so that the absorption intensity of the optical radiation can be measured. And a detector for detecting the temperature of the sample.

또한, 상기 NV 센서부는, 상기 팁을 복수로 병렬 배치되는 구조를 포함하는 것을 특징으로 한다.The NV sensor unit may include a structure in which a plurality of the tips are arranged in parallel.

한편, 본 발명은 스핀(spin)의 양자 상태를 변화시키는 마이크로웨이브를 다이아몬드 질소 공공에 인가하고 상기 질소 공공의 스핀의 양자 위상을 측정하여 온도를 측정하는 것을 특징으로 하는 다이아몬드 질소 공공을 이용한 온도 측정 장치를 제공할 수도 있다.According to another aspect of the present invention, there is provided a method for measuring a temperature using a diamond nitrogen vacancy in which a microwave for changing a quantum state of spin is applied to a diamond nitrogen vacancy and the quantum phase of the spin of the nitrogen vacancy is measured, Device may be provided.

또한, 본 발명은, 다이아몬드 질소 공공의 스핀 상태를 광학적으로 여기할 수 있는 빔(beam)을 생성하는 광원을 포함하는 공촛점 스캐닝 유닛과, 상기 질소 공공에 인가될 수 있는 마이크로웨브를 생성하는 펄스 생성 유닛과, 상기 질소 공공을 포함한 팁(Tip)이 구비된 NV 센서부와, 광 방사의 흡수 강도 측정이 가능하도록, 상기 빔이 상기 NV 센서부를 통과한 후 출력된 광 방사를 검출하는 검출기를 포함하며, 상기 질소 공공에 상기 마이크로웨이브가 인가되고, 상기 NV 센서부의 상기 스핀의 양자 위상을 측정하여 온도가 측정되는 것을 특징으로 하는 다이아몬드 질소 공공을 이용한 온도 측정 장치를 제공할 수도 있음은 물론이다.The present invention also provides a scanning electron microscope comprising a confocal scanning unit including a light source for generating a beam capable of optically exciting a spin state of a diamond nitrogen vacancy and a pulse for generating a microwave capable of being applied to the nitrogen vacancy An NV sensor unit having a tip including the nitrogen vacancy and a detector for detecting the light emission after the beam passes through the NV sensor unit so that the absorption intensity of the optical radiation can be measured And the microwave is applied to the nitrogen vacancy, and the temperature is measured by measuring the quantum phase of the spin of the NV sensor unit. It is a matter of course that the present invention also provides a temperature measurement apparatus using the diamond nitrogen vacancy .

여기서, 상기 마이크로웨이브는, 상기 마이크로웨이브가 상기 질소 공공에 인가되도록 설정된 전체시간동안 서로 다른 다수의 진폭을 가지는 것을 특징으로 한다.Here, the microwave is characterized in that the microwave has a plurality of amplitudes that are different from each other for the entire time set to be applied to the nitrogen vacancy.

이때, 상기 공촛점 스캐닝 유닛과 상기 NV 센서부의 상부측 사이에 배치되어 상기 공촛점 스캐닝 유닛 및 상기 NV 센서부와 연결되며, 상기 팁의 단부와 접촉 또는 근접 가능하게 배치되는 측정 대상물의 변위에 따른 부궤환 기반의 위치 보정을 실시하는 피드백 위치보정기를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.At this time, depending on the displacement of the measurement object disposed between the confocal scanning unit and the upper side of the NV sensor unit and connected to the confocal scanning unit and the NV sensor unit, And a feedback position corrector for performing position correction based on negative feedback.

또한, 상기 양자 센서와 펄스 생성 유닛 및 공촛점 스캐닝 유닛과 연결되며, 상기 빔이 조사된 상기 질소 공공으로부터의 상기 광 방사를 측정하는 스펙트럼분석기를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.And a spectral analyzer connected to the quantum sensor, the pulse generating unit and the confocal scanning unit, for measuring the light emission from the nitrogen vacancy irradiated with the beam.

상기와 같은 구성의 본 발명에 따르면, 다음과 같은 효과를 도모할 수 있다.According to the present invention having the above-described configuration, the following effects can be achieved.

우선, 본 발명은 공명주파수의 변화에 무관하게 이상적인 π/4 또는 π 펄스를 생성하여 온도 측정의 민감도 및 정확도를 향상시킬 수 있게 된다.First, the present invention can generate an ideal? / 4 or? Pulse irrespective of the change in the resonance frequency, thereby improving the sensitivity and accuracy of temperature measurement.

특히, 본 발명은 양자 센서의 사이즈가 nm 단위이며 8 mK/Hz 이하 수준의 민감도로 온도를 측정하는 온도 측정 센서에 응용할 수 있을 것이다.In particular, the present invention can be applied to a temperature measuring sensor for measuring temperature with a sensitivity of 8 mK / Hz or less at the unit of the size of the quantum sensor in nm.

도 1은 시공간 및 주파수 공간상에서 펄스의 진폭을 푸리에 변환을 이용하여 점진적으로 바꿔가는 과정을 모식적으로 나타낸 것으로, 도 1(a)는 시간에 대한 펄스의 진폭 모양을 바꿔가는 과정을 나타낸 그래프이며, 도 1(b)는 주파수 공간상에서 펄스의 진폭 모양을 바꿔가는 과정을 나타낸 그래프
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 다이아몬드 질소 공공 결함을 이용한 온도 측정 장치를 개략적으로 도시한 블록도
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 다이아몬드 질소 공공 결함을 이용한 온도 측정에 따른 NV의 스핀 상태를 각 변수별로 대응하여 도시한 개념도
도 4는 대역폭 최적화제어 방법으로 생성된 마이크로웨이브를 스핀에 인가했을 때 기존의 방식에 비하여 넓은 대역에서 온도의 측정이 가능함을 비교한 그래프
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 다이아몬드 질소 공공 결함을 이용한 온도 측정을 위하여 나노 캔틸레버를 제작하는 과정을 순차적으로 나타낸 측단면 개념도
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 다이아몬드 질소 공공 결함을 이용한 온도 측정을 위하여 제작된 나노 캔틸레버 및 해당 나노 캔틸레버의 어레이를 도시한 사시 개념도
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 다이아몬드 질소 공공 결함을 이용한 온도 측정을 위하여 나노 캔틸레버를 제작하는 과정을 순차적으로 나타낸 측단면 개념도
도 8은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 다이아몬드 질소 공공 결함을 이용한 온도 측정을 위하여 나노 캔틸레버를 제작하는 과정을 순차적으로 나타낸 측단면 개념도
FIG. 1 schematically shows a process of gradually changing the amplitude of a pulse in space-time and frequency space using a Fourier transform. FIG. 1 (a) is a graph showing a process of changing the amplitude of a pulse with respect to time , And FIG. 1 (b) is a graph showing a process of changing the amplitude shape of the pulse on the frequency space
2 is a block diagram schematically showing an apparatus for measuring temperature using diamond nitrogen vacancy defects according to an embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a conceptual diagram illustrating the spin states of NV according to temperature measurement using diamond nitrogen vacancy defects according to an embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a graph showing the comparison of temperature measurement in a wide band compared with the conventional method when the microwave generated by the bandwidth optimization control method is applied to the spin
FIG. 5 is a side cross-sectional view illustrating a process of fabricating a nanocantilever for temperature measurement using a diamond nitrogen vacancy defect according to an embodiment of the present invention. FIG.
6 is a perspective view illustrating a nanocantilever and an array of the nanocantilever fabricated for temperature measurement using a diamond nitrogen vacancy defect according to an embodiment of the present invention.
FIG. 7 is a side cross-sectional conceptual diagram illustrating a process of fabricating a nanocantilever for temperature measurement using diamond nitrogen vacancy defects according to another embodiment of the present invention.
FIG. 8 is a side cross-sectional view illustrating a process of fabricating a nanocantilever for temperature measurement using a diamond nitrogen vacancy defect according to another embodiment of the present invention

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되는 실시예를 참조하면 명확해질 것이다.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS The advantages and features of the present invention, and how to accomplish them, will become apparent by reference to the embodiments described in detail below with reference to the accompanying drawings.

그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예로 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이다.However, the present invention is not limited to the embodiments described below, but may be embodied in various other forms.

본 명세서에서 본 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다.The present embodiments are provided so that the disclosure of the present invention is thoroughly disclosed and that those skilled in the art will fully understand the scope of the present invention.

그리고 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.And the present invention is only defined by the scope of the claims.

따라서, 몇몇 실시예에서, 잘 알려진 구성 요소, 잘 알려진 동작 및 잘 알려진 기술들은 본 발명이 모호하게 해석되는 것을 피하기 위하여 구체적으로 설명되지 않는다.Thus, in some embodiments, well known components, well known operations, and well-known techniques are not specifically described to avoid an undesirable interpretation of the present invention.

또한, 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭하고, 본 명세서에서 사용된(언급된) 용어들은 실시예를 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다.In addition, throughout the specification, like reference numerals refer to like elements, and the terms (mentioned) used herein are intended to illustrate the embodiments and not to limit the invention.

본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함하며, '포함(또는, 구비)한다'로 언급된 구성 요소 및 동작은 하나 이상의 다른 구성요소 및 동작의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.In this specification, the singular forms include plural forms unless the context clearly dictates otherwise, and the constituents and acts referred to as " comprising (or having) " do not exclude the presence or addition of one or more other constituents and actions .

다른 정의가 없다면, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공통적으로 이해될 수 있는 의미로 사용될 수 있을 것이다.Unless defined otherwise, all terms (including technical and scientific terms) used herein may be used in a sense commonly understood by one of ordinary skill in the art to which this invention belongs.

또 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 정의되어 있지 않은 한 이상적으로 또는 과도하게 해석되지 않는다.Also, commonly used predefined terms are not ideally or excessively interpreted unless they are defined.

이하, 첨부된 도면을 참고로 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명한다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.

우선, 도 1은 시공간 및 주파수 공간상에서 펄스의 진폭을 푸리에 변환을 이용하여 점진적으로 바꿔가는 과정을 모식적으로 나타낸 것으로, 도 1(a)는 시간에 대한 펄스의 진폭 모양을 바꿔가는 과정을 나타낸 그래프이며, 도 1(b)는 주파수 공간상에서 펄스의 진폭 모양을 바꿔가는 과정을 나타낸 그래프이다.First, FIG. 1 schematically shows a process of gradually changing the amplitude of a pulse in space-time and frequency space using a Fourier transform. FIG. 1 (a) shows a process of changing the amplitude of a pulse with respect to time And FIG. 1 (b) is a graph showing a process of changing the shape of the amplitude of the pulse on the frequency space.

그리고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 다이아몬드 질소 공공 결함을 이용한 온도 측정 장치를 개략적으로 도시한 블록도이다.2 is a block diagram schematically illustrating a temperature measuring apparatus using diamond nitrogen vacancy defects according to an embodiment of the present invention.

그리고, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 다이아몬드 질소 공공 결함을 이용한 온도 측정에 따른 NV의 스핀 상태를 각 변수별로 대응하여 도시한 개념도이다.FIG. 3 is a conceptual diagram illustrating the spin states of NV according to the temperature measurement using the diamond nitrogen vacancy defect according to one embodiment of the present invention.

또한, 도 4는 대역폭 최적화제어 방법으로 생성된 마이크로웨이브를 스핀에 인가했을 때 기존의 방식에 비하여 넓은 대역에서 자기장의 측정이 가능함을 비교한 그래프이다.FIG. 4 is a graph comparing a magnetic field generated in a bandwidth optimization control method when a microwave is applied to a spin, in comparison with a conventional method, in which a magnetic field can be measured in a wide band.

한편, 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 다이아몬드 질소 공공 결함을 이용한 온도 측정을 위하여 나노 캔틸레버를 제작하는 과정을 순차적으로 나타낸 측단면 개념도이며, 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 다이아몬드 질소 공공 결함을 이용한 온도 측정을 위하여 제작된 나노 캔틸레버 및 해당 나노 캔틸레버의 어레이를 도시한 사시 개념도이다.Meanwhile, FIG. 5 is a side cross-sectional view illustrating a process of fabricating a nanocantilever for temperature measurement using a diamond nitrogen vacancy defect according to an embodiment of the present invention. FIG. 6 is a cross- A nanocantilever and an array of the nanocantilevers fabricated for temperature measurement using a nitrogen vacancy defect.

또한, 도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 다이아몬드 질소 공공 결함을 이용한 온도 측정을 위하여 나노 캔틸레버를 제작하는 과정을 순차적으로 나타낸 측단면 개념도이다.7 is a side cross-sectional view illustrating a process of fabricating a nanocantilever for temperature measurement using a diamond nitrogen vacancy defect according to another embodiment of the present invention.

아울러, 도 8은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 다이아몬드 질소 공공을 이용한 온도 측정을 위하여 나노 캔틸레버를 제작하는 과정을 순차적으로 나타낸 측단면 개념도이다.FIG. 8 is a side cross-sectional view illustrating a process of fabricating a nanocantilever for temperature measurement using a diamond nitrogen vacancy according to another embodiment of the present invention. Referring to FIG.

우선, 본 발명의 일 실시예에 따른 다이아몬드 질소 공공 결함을 이용한 온도 측정 장치 및 방법에 의하면, 스핀(spin)의 양자 상태를 변화시키는 마이크로웨이브를 다이아몬드 질소 공공에 인가하고 질소 공공의 스핀의 양자 위상을 측정하여 온도를 측정할 수 있게 된다.According to the apparatus and method for measuring temperature using diamond nitrogen vacancy defects according to an embodiment of the present invention, a microwave for changing the quantum state of spin is applied to the diamond nitrogen vacancy and the quantum phase So that the temperature can be measured.

전술한 측정의 대상은, 다이아몬드 질소 공공의 스핀의 양자 위상이며, 스핀의 양자 위상을 통하여 질소 공공 부근의 온도를 측정하게 되는 것이다.The object of the measurement described above is the quantum phase of the spin of the diamond nitrogen vacancy, and the temperature near the nitrogen vacancy is measured through the quantum phase of the spin.

즉, 온도 측정은 물체 온도 변화를 센싱한다는 의미라 할 수 있다.In other words, temperature measurement means sensing the change of object temperature.

이때, 다이아몬드 질소 공공 부근에 측정 대상물을 배치하게 되면, 그 물체에서 나오는 열량만큼 다이아몬드 질소 공공을 포함하는 NV 센서부(2)가 온도를 측정해내는 것을 통하여, 전술한 물체, 즉 특정 재료의 온도 또는 온도 변화량이 얼마만큼인가를 매우 민감도 높게 측정해낼 수 있는 것이다.At this time, when the measurement object is placed near the diamond nitrogen vacancy, the temperature of the NV sensor unit 2 including the diamond nitrogen vacancy is measured by the amount of heat from the object, Or the amount of temperature change can be measured very sensitively.

아울러, 전술한 마이크로웨이브는, 마이크로웨이브가 질소 공공에 인가되도록 설정된 전체시간동안 서로 다른 다수의 진폭을 가지는 것이다.In addition, the above-described microwave has a plurality of amplitudes that are different from one another over the entire time period in which the microwave is applied to the nitrogen vacancy.

다시말해, 마이크로웨이브는, 마이크로웨이브가 질소 공공에 인가되도록 설정된 전체시간에 대해 주기성을 갖는 진폭이 서로 다른 분할 웨이브의 합으로 기술될 수도 있다.In other words, the microwave may be described as the sum of divided waves having different amplitudes with periodicity for the whole time set for the microwave to be applied to the nitrogen vacancy.

여기서, 분할 웨이브 각각의 한 주기의 시작과 끝의 진폭은 모두 0인 것이며, 결국 마이크로웨이브는, 마이크로웨이브가 질소 공공에 인가되도록 설정된 전체시간동안 질소 공공에 인가되는 서로 진폭이 같거나 다른 복수의 사인파의 합이라 할 수 있다.Here, the amplitudes at the beginning and the end of one period of each of the divided waves are all 0, and as a result, the microwave is applied to the nitrogen vacancies during the entire time period in which the microwave is applied to the nitrogen vacancies, The sum of sine waves.

즉, 전체시간동안 임의의 한 주기의 시작과 끝의 진폭이 0인 다수의 사인파 중 임의의 한 주기가 각각 서로 다른 사인파 성분을 추출하고, 추출된 사인파 성분의 진폭을 변조하여 질소 공공에 인가될 마이크로웨이브를 생성하게 된다.In other words, any one of a plurality of sine waves having an amplitude of 0 at the beginning and an end of an arbitrary one period during a whole time period may extract different sine wave components, modulate the amplitude of the extracted sine wave component, Thereby generating a microwave.

온도의 측정은, 질소 공공의 스핀의 |0>와 |1+> 사이의 에너지 차이를 이용하되, 이러한 에너지 차이를 변화시키면 시간에 따른 위상 변화 속도가 바뀌게 되는데, 이러한 위상 변화를 측정하면, 질소 공공 부근의 온도를 측정할 수 있게 되는 것이다.The temperature is measured by using the energy difference between | 0> and | 1+> of the spin of the nitrogen vacancy. When this energy difference is changed, the phase change rate with time is changed. When this phase change is measured, The temperature in the vicinity of the public can be measured.

여기서, 위상 변화를 측정하기 위해서는, 질소 공공에 π/4에 해당하는 AC 자기장을 인가하고, 일정 시간 이후 다시 -π/4에 해당하는 AC 자기장을 인가하면, 질소공공 스핀의 양자 위상에 따라 빛의 밝기가 변화하게 되는데, 이러한 빛의 밝기로부터 위상 변화의 측정이 가능하게 되는 것이다.Here, in order to measure the phase change, when an AC magnetic field corresponding to? / 4 is applied to the nitrogen vacancies and an AC magnetic field corresponding to -π / 4 is applied again after a certain period of time, So that the phase change can be measured from the brightness of the light.

이때, 전술한 일정 시간이라 함은 수 ㎱~ 수 ㎲ 정도의 매우 짧은 시간 동안이라 할 수 있다.At this time, the above-mentioned constant time can be said to be a very short time of several seconds to several microseconds.

따라서, 전술한 마이크로웨이브는 이와 같은 수 ㎱~ 수 ㎲ 정도의 매우 짧은 시간을 다시 복수로 분할한 서로 다른 진폭을 가진 분할 웨이브들을 포함하는 것이라 하겠으며, 서로 다른 진폭을 가진 분할 웨이브들 각각의 한 주기 당 시작과 끝의 진폭은 모두 0이 되는 것이다.Therefore, the above-mentioned microwave may include divided waves having different amplitudes obtained by dividing a very short time of about several minutes to several microseconds again into a plurality of divided waves, and it is assumed that one cycle of each divided wave having different amplitudes The amplitude of the beginning and end of each is 0.

예를들어, 주기가 1초인 사인파를 가정할 때, 주기의 시작인 0초일 때와 끝인 1초일 때의 진폭은 모두 0이며, 이는 주기가 2초인 사인파의 경우도 마찬가지일 것이다.For example, assuming a sine wave with a period of one second, the amplitude at the beginning and end of the period, 0s and 0s, is all zero, and so is the case for sine waves with a period of two seconds.

주기가 0.5초인 사인파 역시 해당 0.5초 주기의 시작과 끝의 진폭은 모두 0일 것이며, 마찬가지로 1/3초가 주기인 사인파도 해당 1/3초 주기의 시작과 끝의 진폭이 0이 되므로, 해당 마이크로웨이브를 인가하기로 정한 시간이 있다면 그 시간의 처음과 끝에서 진폭이 0이 되는 사인파는 무한히 많이 존재할 것이다.The amplitude of the start and end of the sine wave having a cycle of 0.5 second is also 0, and the amplitude of the start and the end of the sine wave having a cycle of 1/3 second is 0, If there is a time set to apply a wave, there will be infinite number of sine waves with zero amplitude at the beginning and end of the time.

따라서, 이렇게 무한히 많은 사인파중 몇개의 주파수 성분만 추출하여 각각의 사인파의 진폭을 변조함으로써 해당 마이크로웨이브를 만들어낼 수 있게 된다.Therefore, by extracting only a few frequency components from infinitely many sinusoidal waves and modulating the amplitude of each sinusoidal wave, the microwave can be produced.

요컨데, 마이크로웨이브의 모양을 정하면, 해당 마이크로웨이브가 스핀에 인가되었을 때 스핀의 상태가 어떻게 변화하는가를 계산해낼 수 있다.In short, by determining the shape of the microwave, it is possible to calculate how the state of the spin changes when the microwave is applied to the spin.

인위적으로 노이즈가 있는 상황을 상정하고 각각의 상황에 하나의 마이크로웨이브를 가할 때 스핀의 상태가 원하는대로 조작되는지를 확인하고, 해당 마이크로웨이브의 모양을 도 1과 같은 수학적 계산을 통해 조금씩 바꿔가며 여러 노이즈 조건에서 스핀의 조작을 원하는대로 할 수 있게 되는 것이다.It is assumed that there is artificial noise, and when one microwave is applied to each situation, it is confirmed that the state of spin is manipulated as desired, and the shape of the microwave is changed little by a mathematical calculation as shown in FIG. 1, The operation of the spin can be performed as desired in the noise condition.

전술한 온도의 측정은 도 2와 같은 온도 측정 장치를 이용하여 수행될 수 있다.The above-described temperature measurement can be performed using the temperature measuring apparatus shown in Fig.

온도 측정 장치는 도시된 바와 같이 질소 공공의 스핀 상태를 광학적으로 여기할 수 있는 빔(beam)을 생성하는 광원을 포함하는 공촛점 스캐닝 유닛(4)을 포함할 수 있다.The temperature measuring apparatus may include a confocal scanning unit 4 including a light source that generates a beam capable of optically exciting the spin state of the nitrogen vacancy as shown.

그리고, 온도 측정 장치는 질소 공공에 인가될 수 있는 마이크로웨브를 생성하는 펄스 생성 유닛(3)과, 질소 공공을 포함한 팁(Tip)이 구비된 NV 센서부(2)와, 광 방사의 흡수 강도 측정이 가능하도록, 빔이 NV 센서부(2)를 통과한 후 출력된 광 방사를 검출하는 검출기를 포함할 수 있다.The temperature measuring apparatus includes a pulse generating unit 3 for generating a microwave capable of being applied to a nitrogen vacancy, an NV sensor unit 2 provided with a tip including a nitrogen vacancy, And a detector for detecting the light emission after the beam passes through the NV sensor unit 2 so that measurement can be made.

여기서, 전술한 빔은 빔은 500~640nm 파장, 더욱 바람직하게는 532 nm 부근의 파장을 가진 녹색빔(green beam)이며, 광 방사는 500~640nm 파장, 더욱 바람직하게는 640 nm 부근의 파장을 가진 적색빔(red beam)일 수도 있다.Here, the beam is a green beam having a wavelength of about 500 to 640 nm, more preferably about 532 nm, and the light emission has a wavelength of about 500 to 640 nm, more preferably about 640 nm It may be a red beam.

우선, NV 센서부(2)는 질소 공공을 포함하는 팁이 형성된 나노 캔틸레버(이하 도 6 참조)를 구비한 것이다.First, the NV sensor unit 2 is provided with a nanocantilever (see FIG. 6) in which a tip including a nitrogen vacancy is formed.

여기서, 질소 공공 대신에 다이아몬드 내의 실리콘 공공 결함(silicon vacancy center, 이하 SV) 또는 양자 정보(quantum information)를 포함할 수도 있을 것이며, 본 발명에서는 NV를 위주로 설명할 것이다.Here, instead of the nitrogen vacancy, a silicon vacancy center (hereinafter, referred to as SV) or quantum information in the diamond may be included. In the present invention, the NV will be mainly described.

펄스 생성 유닛(3)은 NV 센서부(2)와 연결되며, NV 센서부(2)에 임의의 펄스를 부여하는 파형 베이스-밴드 제네레이터(Arbitrary waveform base-band generator, 이하 WBG)를 구비하는 것이다.The pulse generating unit 3 includes an Arbitrary waveform base-band generator (WBG) connected to the NV sensor unit 2 and giving an arbitrary pulse to the NV sensor unit 2 .

공촛점 스캐닝 유닛(4)은, NV 센서부(2)의 상부측에 배치되고, WBG에 의하여 NV 센서부(2)에 부여된 임의의 펄스와 NV에 의한 스핀의 양자의 위상 변화를 비교 분석함으로써, 전술한 팁 하부에 배치된 측정 대상물의 온도 측정이 완료되면, NV 센서부(2)에 빔(beam)을 조사하고 스핀의 양자의 위상을 초기화하는 것이다.The confocal scanning unit 4 is disposed on the upper side of the NV sensor unit 2 and compares and analyzes the phase variation of any pulse given to the NV sensor unit 2 by the WBG and spin by NV When the temperature measurement of the object placed under the tip is completed, the NV sensor unit 2 is irradiated with a beam to initialize the phases of both spins.

한편, 본 발명은 NV 센서부(2)의 하부측에 배치되는 피에조스테이지(piezostage) 컨트롤러(1)를 더 구비하되, 피에조스테이지 컨트롤러(1)는 폐루프 제어에 의하여 전술한 측정 대상물과 NV 센서부(2)의 팁 사이의 거리를 2nm 이하로 제어할 수 있을 것이다.The present invention further includes a piezostage controller 1 disposed on the lower side of the NV sensor unit 2 and the piezo stage controller 1 controls the above described object to be measured and the NV sensor The distance between the tips of the portions 2 can be controlled to 2 nm or less.

아울러, 피에조스테이지 컨트롤러(1)는 개루프 제어에 의하여 전술한 측정 대상물과 NV 센서부(2)의 팁 사이의 거리를 0.5nm 이하로 제어할 수도 있다.In addition, the piezo stage controller 1 may control the distance between the above described object to be measured and the tip of the NV sensor unit 2 to 0.5 nm or less by the open loop control.

그리고, 검출기는 크게 단일 광자 카운터(5)(single photon counter)와, 게이팅 광자 카운팅 유닛(6)(Gated photon counting unit)과, 메인 타이밍 제어 유닛(7)을 포함할 수 있다.And, the detector can largely include a single photon counter 5, a gated photon counting unit 6, and a main timing control unit 7.

단일 광자 카운터(5)는 공촛점 스캐닝 유닛(4)과 연결되며, 공촛점 스캐닝 유닛(4)에 의하여 촬영된 스핀의 양자의 광 여기 후 형광의 양을 단일 광자 수준으로 검출하기 위한 것이다.The single photon counter 5 is connected to the confocal scanning unit 4 and is for detecting the amount of fluorescence after photoexcitation of both spins photographed by the confocal scanning unit 4 at a single photon level.

게이팅 광자 카운팅 유닛(6)은 단일 광자 카운터(5)와 연결되며, 검출된 단일 광자중 게이팅된 광자를 검출하기 위한 것이다.The gating photon counting unit 6 is connected to the single photon counter 5 and is for detecting gated photons among the detected single photons.

또한, 메인 타이밍 제어 유닛(7)은 펄스 생성 유닛(3)과 공촛점 스캐닝 유닛(4)과 단일 광자 카운터(5)와 게이팅 광자 카운팅 유닛(6)과 연결되며, 펄스 생성 유닛(3)에 의하여 NV 센서에 부여된 펄스와, 단일 광자 카운터(5)의 TTL 논리 레벨 출력에 따른 펄스를 동기화하기 위한 것이다.The main timing control unit 7 is also connected to the pulse generating unit 3, the confocal scanning unit 4, the single photon counter 5 and the gating photon counting unit 6, and the pulse generating unit 3 To synchronize the pulses given to the NV sensor and the pulses according to the TTL logic level output of the single photon counter 5.

아울러, 본 발명은 공촛점 스캐닝 유닛(4)과 NV 센서부(2)의 상부측 사이에 배치되어 공촛점 스캐닝 유닛(4) 및 NV 센서부(2)와 연결되며, 팁의 단부와 접촉 또는 근접 가능하게 배치되는 측정 대상물의 변위에 따른 부궤환 기반의 위치 보정을 실시하는 피드백 위치보정기(8)를 더 구비할 수도 있음은 물론이다.The present invention is also characterized in that the present invention is disposed between the confocal scanning unit 4 and the upper side of the NV sensor unit 2 and connected to the confocal scanning unit 4 and the NV sensor unit 2, It is needless to say that the present invention may be further provided with a feedback position corrector 8 for performing position correction based on negative feedback in accordance with displacement of a measurement object disposed in a proximity.

공촛점 스캐닝 유닛(4)에는 특별히 도시하지 않았으나 녹색광을 팁에 포함된 NV의 한 지점에 집속되게 조사하도록 집속 렌즈가 구비된다.Although not specifically shown in the confocal scanning unit 4, a focusing lens is provided so as to converge green light at one point of the NV included in the tip.

즉, 공촛점 스캐닝 유닛(4)으로부터 조사되는 녹색광은 측정 대상물의 전체 면적에 걸쳐 조사되는 것이 아니라, NV에 초점이 맞춰진 상태에서 전술한 집속 렌즈를 통하여 주사됨으로써, 팁과 렌즈 전체 또는 측정 대상물을 스캔하게 된다.That is, the green light irradiated from the confocal scanning unit 4 is not irradiated over the entire area of the measurement object but is scanned through the above-described focusing lens in a state in which the NV is focused, whereby the whole of the tip and the lens or the measurement object Scan.

이때, 팁과 NV는 고정되고 측정 대상물만 이리저리 변위시켜 측정하게 되는데, 문제는 포커스된 렌즈와 팁 사이의 거리가 측정 대상물의 변위로 인하여 달라지게 되면 NV와의 촛점이 어긋나버리는 현상이 발생한다는 데 있다.The problem is that when the distance between the focused lens and the tip is changed due to the displacement of the object to be measured, the focus is shifted from the focus point to the NV .

이러한 초점의 어긋남 현상은 측정 대상이 아닌 엉뚱한 곳에 녹색광을 조사하여 촬영하고자 하는 영상 획득에 차질을 빚는 문제로도 이어질 수 있는 것이다.Such a shift in focus may lead to a problem of acquiring images to be photographed by irradiating green light to a wrong place, not a measurement target.

본 발명의 피드백 위치보정기(8)는 이러한 문제점을 개선하기 위하여 마련된 것으로, 부궤환 기반의 위치 보정을 자동적으로 실시하고, 이러한 위치 보정 결과를 공촛점 스캐닝 유닛(4) 및 NV 센서부(2)와 공유함으로써, 항상 초점이 NV에 맞춰진 상태로 녹색광이 정확하게 조사되게 유도하는 역할을 수행하게 된다.The feedback position corrector 8 of the present invention is provided for the purpose of solving this problem. The feedback position corrector 8 automatically performs the position feedback based on the negative feedback and outputs the position correction result to the confocal scanning unit 4 and the NV sensor unit 2, Thereby guiding the green light to be accurately irradiated in a state in which the focus is always adjusted to the NV.

한편, 본 발명은 양자 센서(2)와 펄스 생성 유닛(3) 및 공촛점 스캐닝 유닛(4)과 연결되며, 전술한 532nm 파장의 녹색빔이 조사된 NV로부터의 광 방사를 측정하는 스펙트럼분석기(이하 미도시)를 더 구비하는 실시예를 적용할 수도 있음은 물론이다.On the other hand, the present invention relates to a spectrum analyzer (hereinafter referred to as " spectrometer ") which is connected to the quantum sensor 2, the pulse generating unit 3 and the confocal scanning unit 4 and measures the light emission from the NV illuminated with the green beam of the above- (Not shown) may be further applied.

여기서, 반사빔은 500~640 nm 파장, 더욱 바람직하게는 638 nm 내외 파장의 적색빔(red beam)일 수도 있다.Here, the reflected beam may be a red beam having a wavelength of 500 to 640 nm, more preferably a wavelength of about 638 nm.

스펙트럼분석기의 작용 및 이를 이용한 온도 측정 방법에 관하여는 후술시 더욱 상세하게 설명할 것이다.The operation of the spectrum analyzer and the temperature measurement method using the spectrum analyzer will be described later in more detail.

한편, NV 센서부(2)는, 전술한 팁을 복수로 병렬 배치한 구조를 포함할 수 있다.On the other hand, the NV sensor unit 2 may include a structure in which a plurality of the tips described above are arranged in parallel.

앞에서 기술한 바와 같이, 측정의 대상은, 다이아몬드 질소 공공의 스핀의 양자 위상이다.As described above, the object of the measurement is the quantum phase of the spin of the diamond nitrogen vacancy.

상기 질소 공공의 스핀의 양자 위상을 통하여 알아낼 수 있는 것은, 질소 공공 근처의 온도이다.What can be detected through the quantum phase of the spin of the nitrogen vacancy is the temperature near the nitrogen vacancy.

전술한 바와 같이 팁을 복수로 병렬 배치하여 특정 재료의 스핀을 측정한다는 것은, 원자 단위의 작은 영역의 자기장, 그리고 가장 작은 자석인 전자 스핀의 온도 변화까지 측정할 수 있다른 의미이다.Measuring the spin of a specific material by arranging a plurality of tips in parallel as described above has a different meaning as far as the temperature of a small area of an atomic unit and a temperature change of an electron spin as a smallest magnet are measured.

다이아몬드 질소 공공의 스핀을 포함하는 NV 센서부(2), 즉 질소 공공 센서는 민감도가 매우 높고, 하나의 원자의 크기를 가지고 있기 때문에 그 사이즈 또한 매우 작은 것이다.The NV sensor unit 2 including the spin of the diamond nitrogen vacancy, that is, the nitrogen vacancy sensor, is very sensitive and has a very small size because it has the size of one atom.

따라서 이러한 질소 공공 센서는 초민감 초소형 센서이므로, 이러한 질소 공공 센서를 이용하게 되면, 원자 단위의 작은 영역의 온도는 물론, 가장 작은 자석인 전자 스핀의 온도변화까지 측정할 수 있게 되는 것이다.Therefore, when such a nitrogen vacancy sensor is used, it is possible to measure not only the temperature in a small region of the atomic unit but also the temperature change of the electron spin, which is the smallest magnet, since the nitrogen vacancy sensor is a very sensitive ultra small sensor.

표면의 온도를 측정코자 하는 측정대상물이 있을 경우에는, 종래에는 하나의 질소 공공 센서를 측정대상물의 가까이에 두고, 한 지점씩 측정해가면서 스캐닝을 해야하는 번거로움이 있었다.When there is an object to be measured for measuring the surface temperature, conventionally, there is a problem in that a single nitrogen public sensor is placed close to the object to be measured, and scanning is performed while measuring the object at one point.

이에 비하여 전술한 바와 같이 복수의 팁이 병렬 배치 구조를 가지는 NV 센서부(2)에 의하면, 전술한 스캐닝 횟수를 획기적으로 줄일 수 있으므로, 대면적을 가진 측정대상물 표면의 온도를 빠른 속도로 측정할 수 있게 되는 것이다.On the other hand, according to the NV sensor unit 2 having a plurality of tips arranged in parallel as described above, the number of scanning times described above can be drastically reduced, so that the temperature of the surface of a measurement object having a large area can be measured at a high speed It will be possible.

이하, 설명의 편의상 "마이크로웨이브"는 "펄스"로 치환하여 설명키로 한다.Hereinafter, for convenience of explanation, "microwave" is replaced with "pulse "

NV 센서부(2)의 팁에 구비된 질소 공공에 펄스가 부여되면, 질소 공공이 가진 스핀(spin)이 전술한 펄스에 의하여 회전한 이후 위상이 변화함에 따라 발생되는 NV 센서부(2) 주변의 온도를 측정할 수 있게 되는 것이다.When a pulse is applied to the nitrogen vacancy included in the tip of the NV sensor unit 2, the periphery of the NV sensor unit 2 generated as the phase changes after the spin of the nitrogen vacancy is rotated by the above- It is possible to measure the temperature of the liquid.

즉, NV 센서부(2)와 연결된 펄스 생성 유닛(3)에 구비된 임의의 파형 베이스-밴드 제네레이터(Arbitrary waveform base-band generator, 이하 WBG)가 임의의 펄스를 NV 센서부(2)의 질소 공공의 스핀에 부여한다(S1: 제1 단계).That is, an arbitrary waveform base-band generator (WBG) provided in the pulse generating unit 3 connected to the NV sensor unit 2 outputs an arbitrary pulse to the NV sensor unit 2 To the public spin (S1: first step).

다음으로, WBG에 의하여 NV 센서부(2)에 부여된 상태준비 펄스를 인가한 후 질소 공공의 스핀의 외부 자기장 하의 위상 변화를 비교 분석하여 스핀의 온도를 측정한다(S2: 제2 단계).Next, after the state preparation pulse applied to the NV sensor unit 2 is applied by the WBG, the phase change under the external magnetic field of the spin of the nitrogen vacancy is compared and analyzed to measure the temperature of the spin (S2: second step).

특히, 제1 단계(S1)에서는, 전술한 공촛점 스캐닝 유닛(4)으로부터 팁에 포함된 NV에 조사된 녹생광의 초점을, 팁의 단부와 접촉 또는 근접 가능하게 배치되는 측정 대상물의 변위에 따라, 전술한 피드백 위치보정기(8)에 의하여 부궤환을 기반으로 한 위치 보정 작업을 추가적으로 실시할 수 있을 것이다.Particularly, in the first step S1, the focus of the rust blue light irradiated on the NV included in the tip from the above-mentioned confocal scanning unit 4 is shifted to the displacement of the measurement object placed in contact with or close to the end of the tip Accordingly, it is possible to additionally perform the position feedback based on the negative feedback by the feedback position corrector 8 described above.

이러한 위치 보정 작업은 전술한 피드백 위치보정기(8)의 설명에서 언급한 바와 같다.This position correction operation is as mentioned in the description of the feedback position corrector 8 described above.

여기서, 스핀의 온도 측정이 완료되면, 공촛점 스캐닝 유닛(4)이 NV 센서부(2)에 전술한 바와 같은 532nm 파장의 녹색광(green beam)을 조사하여 스핀의 양자의 위상을 초기화시키는 작업을 추가적으로 실시할 수 있다.Here, when the temperature measurement of the spin is completed, the confocal scanning unit 4 irradiates the NV sensor unit 2 with a green beam having a wavelength of 532 nm as described above to initialize the phases of the spins Can be additionally performed.

이때, 스핀의 양자의 위상 초기화가 완료되면 제1 단계(S1) 및 제2 단계(S2)가 순차적으로 실시될 것이다.At this time, when phase initialization of both spins is completed, the first step (S1) and the second step (S2) will be sequentially executed.

아울러, 제1 단계(S1)에서는, 도 3과 같이 스핀의 양자의 위상이 초기화되면, WBG가 스핀의 양자에 제1 파형의 시작펄스(3i)를 부여하며, 단일 전자스핀에 가해진 자기장을 측정할 때에 제1 파형과 동일 위상의 제2 파형의 최종펄스(3f)를 부여하게 된다.In addition, in the first step S1, when the phases of both of the spins are initialized as shown in Fig. 3, the WBG gives the start pulse 3i of the first waveform to both of the spins, and the magnetic field applied to the single electron spin is measured The final pulse 3f of the second waveform having the same phase as that of the first waveform is given.

참고로, 도 3에서 둘째줄에 기재된 '입력 펄스 신호'에서 시작펄스(3i)를 가리키는 (π/4)x 및 최종펄스(3f)를 가리키는 (-π/4)x 각각의 외곽을 에워싼 사각형은 xy 평면상에서 x축을 따라 일정한 진폭을 가진 π/4파 및 -π/4파가 반복적으로 발생되었음을 나타내는 것이다.For reference, in the 'input pulse signal' shown on the second line in FIG. 3, the (π / 4) x indicating the start pulse 3i and the (π / 4) x indicating the last pulse 3f A quadrangle indicates that π / 4 waves and -π / 4 waves having a constant amplitude along the x axis are repeatedly generated on the xy plane.

또한, 제1 단계(S1)에서는, 도 3과 같이 시작펄스(3i)와 최종펄스(3f) 사이에 제1 파형 및 제2 파형과 다른 위상을 가진 제3 파형의 중간펄스(3m)를 적어도 1회 부여하는 과정이 이루어지게 될 것이다.In the first step S1, an intermediate pulse 3m of a third waveform having a phase different from that of the first waveform and the second waveform is applied between the start pulse 3i and the final pulse 3f as shown in Fig. 3 A process of granting one time will be performed.

이때, 시작펄스(3i)와 중간펄스(3m) 사이의 제1 시간 간격과, 중간펄스(3m)와 최종펄스(3f) 사이의 제2 시간 간격은 동일한 것을 알 수 있다.It can be seen that the first time interval between the start pulse 3i and the intermediate pulse 3m and the second time interval between the intermediate pulse 3m and the last pulse 3f are the same.

아울러, 시작펄스(3i)의 제1 파형은 π/4파이고, 최종펄스(3f)의 제2 파형은 -π/4파이며, 중간펄스(3m)의 제3 파형은 π파이다.Further, the first waveform of the start pulse 3i is? / 4 wave, the second waveform of the last pulse 3f is? / 4 wave, and the third waveform of the intermediate pulse 3m is? Wave.

또한, 제1 시간 간격 및 제2 시간 간격은 100㎱~99㎲ 동안이다.Also, the first time interval and the second time interval are from 100 占 to 99 占 퐏.

예를 들어, WBG가 도 4와 같이 π/4파 및 π파를 NV 센서부(2)에 순차적으로 부여하고, 공촛점 스캐닝 유닛(4)은 스핀의 양자의 거동을 촬영함과 동시에, NV 센서부(2)는 질소 공공의 스핀을 통하여 온도를 측정하게 된다.For example, the WBG sequentially applies? / 4 wave and? Wave to the NV sensor unit 2 as shown in FIG. 4, and the confocal scanning unit 4 photographs the behavior of both spins, The sensor unit 2 measures the temperature through the spin of the nitrogen vacancy.

이때, 제2 단계(S2)에서는 시작펄스(3i)인 π/4파를 NV 센서부(2)의 나노 캔틸레버에 부여한 후, 제1 시간 간격 즉, 100㎱~99㎲ 동안 π/4파의 부여를 중지한 다음, 100㎱~99㎲가 경과후 중간펄스(3m)인 π파를 질소 공공에 부여하는 과정이 순차적으로 이루어지게 될 것이다.At this time, in the second step S2, a? / 4 wave which is the start pulse 3i is applied to the nanocantilever of the NV sensor unit 2, and then a? / 4 wave for a first time interval, And then a step of applying a π wave, which is an intermediate pulse (3m), to the nitrogen vacancy after 100 to 99 μs has elapsed after the application of the pulse is stopped.

아울러, 제2 단계(S2)에서는 중간펄스(3m)인 π파를 질소 공공에 부여한 후, 제2 시간 간격 즉, 100㎱~99㎲ 동안 π파의 부여를 중지한 다음, 100㎱~99㎲가 경과후 최종펄스(3f)인 -π/4파를 질소 공공에 부여하는 과정이 순차적으로 이루어지게 될 것이다.In addition, in the second step S2, a? -Wave, which is the intermediate pulse 3m, is applied to the nitrogen vacancy, and then the application of the? Wave is stopped during the second time interval, i.e., 100 to 99 占 퐏. And a process of applying -π / 4 wave, which is the final pulse 3f, to the nitrogen vacancies after the lapse of a predetermined period of time will be sequentially performed.

따라서, 이러한 순차적인 과정에 의하여 최종펄스(3f)가 부여된 스핀에서 발광된 적색광을 측정하여 발생되는 위상차로부터 온도의 변화를 측정할 수 있게 되는 것이다.Therefore, by this sequential process, it is possible to measure the temperature change from the phase difference generated by measuring the red light emitted from the spin provided with the final pulse 3f.

한편, 본 발명의 제2 단계(S2)에 있어서는, 전술한 NV에 532nm 파장의 녹색빔을 조사하여 NV로부터 발광하는 638nm 파장대의 적색빔(red beam)을 전술한 스펙트럼분석기로 측정하는 과정을 더 포함할 수 있다.Meanwhile, in the second step (S2) of the present invention, a process of measuring a red beam of 638 nm wavelength emitted from NV by irradiating a green beam having a wavelength of 532 nm to the above-mentioned NV with a spectrum analyzer .

스펙트럼분석기는, 638nm 파장대의 포논(phonon)과 비결합 상태인 제로 포논 라인(zero-phonon line) 적색빔의 스펙트럼 넓이와, 640nm 부근의 적색빔의 넓이와의 비인 데바이 월러 인자(debye waller factor)를 산출하게 된다.The spectrum analyzer measures the debye wall factor, which is the ratio of the spectral width of the phonon of the 638 nm wavelength band to the spectral width of the zero-phonon line non-bonded red beam and the width of the red beam of 640 nm, .

즉, 532nm 파장의 녹색빔을 받은 NV는 638nm 파장대의 적색빔을 내보내게 된다.Namely, NV that receives green beam of 532nm wavelength emits red beam of 638nm wavelength band.

이때, 638nm의 빛은 주변의 열적 진동인 포논과 결합하여 640nm 근처에 넓은 파장대의 적색빔을 발하게 되는 것이다.At this time, the light of 638 nm is combined with phonon, which is the thermal vibration of the surrounding, to emit a red beam of a wide wavelength band near 640 nm.

이를 전술한 스펙트럼분석기를 이용하여 638nm 파장대의 포논과 결합하지 않은 제로 포논 라인 적색빔의 스펙트럼 넓이와, 640nm 근방의 적색빔의 넓이와의 비를 산출한 것이 데바이 월러 인자이며, 전술한 데바이 월러 인자는 온도에 의하여 변화하게 되므로, 이러한 원리를 이용하여 온도 측정이 가능하게 되는 것이다.The spectrum analyzer described above was used to calculate the ratio of the spectral width of the red phonon line red light beam not conjugated with the phonon of 638 nm to the red light beam width of 640 nm. The temperature can be measured by using the above principle.

한편, 본 발명은 대역폭제한 최적제어(smooth optimal control) 방식으로 양자 센싱을 수행하여 자기장 측정을 할 수 있게 된다.Meanwhile, the present invention can perform magnetic field measurement by performing quantum sensing in a smooth optimal control scheme.

전술한 대역폭제한 최적제어에 관하여 설명하고자 한다.The above-mentioned bandwidth limitation optimal control will be described.

먼저, 임의의 함수가 T의 주기를 갖는 주기 함수라 한다면, 이러한 함수는 2π/T를 기본 진동수로 갖는 삼각함수들의 합으로 기술해낼 수가 있다.First, if an arbitrary function is a periodic function with a period of T, then this function can be described as the sum of trigonometric functions with 2π / T as the fundamental frequency.

예를 들어 1MHz가 기본 진동수일 경우 1Mhz, 2Mhz, 3Mhz 등등 그 정수배를 상정할 수 있을 것이다.For example, if 1 MHz is the fundamental frequency, it is possible to assume an integral multiple of 1 Mhz, 2 Mhz, 3 Mhz, and so on.

이러한 실험적 상황에서 펄스들은 처음에는 0 이었다가 펄스를 다 주고 나면 또다시 0이 되는 주기함수들로 생각할 수가 있으며, 이는 곧 해밀토니안(Hamiltonian)이 어떤 일정한 진동수를 기본 진동수로 갖는 삼각함수들의 합으로 기술 될 수 있음을 의미하는 것이다.In this experimental situation, the pulses can be thought of as periodic functions that are 0 initially and then zero again after multiplying the pulses, which is the Hamiltonian sum of the trigonometric functions with a certain frequency as the fundamental frequency It can be described.

따라서 시공간(time space)에서 기술되어 있는 해밀토니안을 푸리에 변환(fourier transformation)시켜줄 경우 주파수 공간(frequency space) 상에서 볼 수 있게 된다.Therefore, when the Hamiltonian described in the time space is fourier transformed, it becomes visible in the frequency space.

반대로 주파수 공간상에서 해밀토니안을 만들어서 푸리에 변환시켜줄 경우 우리가 주로 보는 시공간에서의 해밀토니안을 볼 수가 있게 된다.Conversely, if we create a Hamiltonian in frequency space and transform it into a Fourier transform, we can see Hamiltonian in space and time.

기본 진동수의 정수배의 진동수만을 사용한다는 것은 곧 컴퓨터의 이산적인 성질에 전혀 위배 되지 않고, 우리가 사용하게 될 주파수를 임의로 정함으로서 grape나 krotov에서 나왔던 높은 주파수 성분들은 자동으로 삭제될 수 있다는 것을 의미하게 되므로, 이것은 실험적 재현이 쉽다는 것도 의미하는 것이다.The use of only integer multiples of the fundamental frequency does not violate the discrete nature of the computer at all. By arbitrarily defining the frequencies that we will use, we mean that high frequency components from grape or krotov can be automatically deleted This also means that it is easy to reproduce experimentally.

경사법(Gradient method)은 수치해석 기법의 대부분을 차지 하고 있는 방법으로, 각 점에서의 기울기를 구하여 기울기의 방향으로 움직일 경우 그 함수의 최댓값 혹은 최솟값을 찾게 되는데, 피델리티(fidelity) 함수의 최대값을 이러한 식으로 찾게 되는 것이다.Gradient method is the method which occupies most of numerical analysis technique. When the slope at each point is obtained and moved in the direction of slope, the maximum or minimum value of the function is found. The maximum value of the fidelity function In this way.

따라서, 해밀토니안에서 시간 전개 오퍼레이터(time evolution operator)를 구한다면 도 1(a) 및 도 1(b)와 같은 형태가 될 것이다.Therefore, if a time evolution operator is obtained in Hamiltonian, it will have the form as shown in FIGS. 1 (a) and 1 (b).

한편, 대역폭제한 최적제어는 플로케 이론(floquet theory)을 기반으로 하는 것으로, 플로케 이론은 펄스의 모양이 시간에 대한 주기성(펄스는 그 시작과 끝에서 크기가 0으로 주기성이 있다)이 있을 경우, 그러한 계를 기술하는 슈뢰딩거 방정식은 고유값 문제로 환원될 수 있음을 말하는 것이다.On the other hand, the bandwidth limitation optimal control is based on the floquet theory, and the flow theory assumes that the shape of the pulse is the periodicity with respect to time (the pulse has a periodicity of zero at the beginning and end) , The Schrödinger equation describing such a system can be reduced to an eigenvalue problem.

즉, 펄스 모양의 변조 과정은 시간 축에서가 아니라 푸리에 변환을 통하여 주파수 공간상에서 한다는 점을 특징으로 한다.That is, the pulse-like modulation process is performed in the frequency domain through the Fourier transform, not on the time axis.

전술한 주파수 공간상에서 진폭을 조금씩 바꿔줄 경우 펄스 변조에 사용되는 주파수를 제한함으로써, 실험적으로 비교적 쉬운 재현이 가능하게 되는 것이다.By slightly changing the amplitude in the above-mentioned frequency space, the frequencies used for pulse modulation can be limited, so that it is possible to easily reproduce experimentally easily.

예를 들어, 1 MHz, 2 MHz, 3 MHz,…, 10 MHz 열 개의 진동수 성분과 같이 펄스 변조에 사용하게 될 진동수 성분과 개수를 정해주고 각각의 주파수 성분이 얼마만큼의 진폭을 가지고 있는지, 처음에는 임의의 값을 대입해준다.For example, 1 MHz, 2 MHz, 3 MHz, ... , 10 MHz Determines frequency components and number to be used for pulse modulation such as frequency components, and assigns an arbitrary value at first to see how much amplitude each frequency component has.

그리고, 그렇게 만들어진 펄스를 스핀에 인가해주었을 때 일치도(fidelity)가 어느 정도가 나오는지를 계산해낸다.Then, we calculate the degree of fidelity when the pulse is applied to the spin.

이후, 일치도가 충분히 크지 못하다면 수학적 계산을 통하여 각 진폭의 크기를 조금씩 바꾸어 일치도를 증가시킨다.Then, if the degree of agreement is not sufficiently large, the magnitude of each amplitude is slightly changed by mathematical calculation to increase the degree of agreement.

따라서, 계산된 일치도가 충분히 크지 않다면 각 진폭의 크기를 또 바꾸는 과정을 반복함으로써 일치도를 원하는 값 이상이 되도록 펄스를 변조해주는 것이다.Therefore, if the calculated degree of agreement is not sufficiently large, the process of changing the magnitude of each amplitude is repeated to modulate the pulse so that the degree of agreement is greater than or equal to a desired value.

앞서 말한 해밀토니안(H)을 더욱 상세하게 설명하면,The Hamiltonian (H) mentioned above will be described in more detail,

Figure 112017024825564-pat00001
Figure 112017024825564-pat00001

Figure 112017024825564-pat00002
Figure 112017024825564-pat00002

과 같이 기술할 수 있다.Can be described as follows.

여기서, Δ는 사각파 펄스를 인가하였을 때 공명주파수에서 벗어난 정도(detuning)이며, an은 nΩ의 주파수를 갖는 x축 방향의 자기장의 진폭이며, bn은 nΩ의 주파수를 갖는 y축 방향의 자기장의 진폭이다.Where a is detuning from the resonant frequency when a square wave pulse is applied, an is the amplitude of the magnetic field in the x-axis direction with a frequency of n?, And bn is the amplitude of the magnetic field in the y- Amplitude.

이때, 사용코자 하는 주파수 성분(frequency component)의 개수를 미리 설정한 다음, 해밀토니안(H)을 전술한 수식을 통하여 계산해내고, 이로부터 시간 전개 오퍼레이터를 구하여 게이트 일치도(gate fidelity)를 계산하게 된다.At this time, the number of frequency components to be used is set in advance, Hamiltonian (H) is calculated through the above-described equation, and a time evolution operator is calculated from this to calculate gate fidelity .

이러한 게이트 일치도의 계산값(F)이 한계값보다 작을 경우 경사법(gradient method)을 이용하여 an과 bn을 기울기 방향으로 조금씩 변화시켜주는 과정을 반복하는 것이다.When the calculated value (F) of the gate agreement is smaller than the threshold value, the process of gradually changing an and bn in the gradient direction is repeated using a gradient method.

이리하여 수렴된 최적화 펄스를 질소 공공에 인가하여 공명주파수에서 벗어난 정도(detuning)가 존재하더라도 도 4와 같이 펄스의 일치도(fidelity)를 높은 값으로 유지시킬 수 있게 되는 것이다.Thus, even if there is detuning from the resonance frequency by applying the converged optimized pulse to the nitrogen vacancy, the fidelity of the pulse can be maintained at a high value as shown in FIG.

도 4의 그래프에서 파란색 굵은 점선으로 표시된 것이 대역폭제한 최적제어로 생성된 펄스를 스핀에 인가했을 때의 파형(SOC)으로, 도 3에서와 같은 위상이 45도 즉, π/4만큼 회전시킨 과정이 얼마나 인지도를 가지는지 파악할 수 있는 것이다.4 is a waveform (SOC) obtained by applying a pulse generated by a bandwidth limiting optimal control to a spin, and the phase is rotated by 45 degrees, that is, by? / 4, as shown in FIG. It is possible to know how much awareness it has.

즉, 파형(SOC)은 기존의 사각파(Rectangular, 얇고 희미한 점점의 선으로 표시된 부분 참조)에 비하여 더욱 넓은 영역에서 1(Ideal)에 가까운 일치도를 보여주고 있음을 확인할 수 있으며, 이것은 대역폭제한 최적제어가 더욱 넓은 범위에 걸쳐 온도를 포함한 다른 물성치들을 측정할 수 있음을 증명하는 것이다.In other words, it can be seen that the waveform (SOC) shows a similarity to 1 (Ideal) in a wider area as compared with a conventional rectangular wave (see a thin and thin line) The control is to prove that it can measure other properties including temperature over a wider range.

한편, 작업자는 제1 단계(S1)가 실시되기 전에, 피에조스테이지 컨트롤러(1)와 공촛점 스캐닝 유닛(4) 사이에 질소 공공을 포함하는 팁이 형성된 나노 캔틸레버를 구비한 NV 센서부(2)를 배치할 수 있다.On the other hand, before the first step S1 is performed, the operator inserts an NV sensor unit 2 having a nanocantilever having a tip formed with a nitrogen vacancy between the piezo stage controller 1 and the confocal scanning unit 4, Can be disposed.

전술한 바와 같은 온도 측정이 가능하도록, NV 센서부(2)의 나노 캔틸레버를 제작하는 과정에 관하여 도 5를 참조하면서 다음과 같이 살펴보고자 한다.A process of fabricating the nanocantilever of the NV sensor unit 2 so that the temperature measurement as described above can be performed will now be described with reference to FIG.

우선, NV를 포함하는 다이아몬드 상에 PMMA의 유기 마스크(organic mask)를 제작하고, 유기 마스크 상에 금(Au)을 증착한다(S10: 제1 과정).First, an organic mask of PMMA is formed on diamond containing NV, and gold (Au) is deposited on the organic mask (S10: first process).

이후, 아세톤으로 유기 마스크를 지우고, 다이아몬드 상에서 유기 마스크가 결여된 부분에만 금이 남아 금속 마스크가 형성되는 리프트 오프(Lift Off)를 수행한다(S20: 제2 과정).Thereafter, the organic mask is removed with acetone, and a lift off is performed in which a metal mask is formed only on a portion of the diamond where the organic mask is absent (Step S20: Step 2).

계속하여, 다이아몬드에 산소 플라즈마를 인가하여, 다이아몬드의 금속 마스크를 제외한 부분이 깎이면서, NV를 가지는 팁(tip)을 형성한다(S30: 제3 과정).Subsequently, an oxygen plasma is applied to the diamond to form a tip having the NV while the portion of the diamond other than the metal mask is scraped off (S30: third process).

다음으로, 다이아몬드를 뒤집어 제1 단계(S1) 및 제2 단계(S2)를 다시 수행한 후, 뒤집힌 다이아몬드에 형성된 금속 마스크를 제거하여 NV를 가지는 팁을 포함한 캔틸레버(도 6의 상부 참조)의 어레이(도 6의 하부 참조)를 제작한다(S40: 제4 과정).Next, after performing the first step (S1) and the second step (S2) again by turning the diamond upside down, the metal mask formed on the inverted diamond is removed and the array of cantilevers (see the upper part of FIG. 6) (Refer to the lower part of Fig. 6) (S40: fourth process).

여기서, 캔틸레버를 NV 센서부(2)에 장착하고, NV 센서부(2)와 연결되어 NV 센서부(2)에 펄스를 부여하는 펄스 생성 유닛(3)에 구비된 WBG를 통하여 부여되는 임의의 파형, 즉 시작펄스(3i)와 중간펄스(3m)와 최종펄스(3f) 등에 의하여, 단일 전자스핀을 통하여 온도를 측정할 수 있을 것이다.Here, the cantilever is attached to the NV sensor unit 2, and an arbitrary one of the arbitrary values given through the WBG provided in the pulse generation unit 3 that is connected to the NV sensor unit 2 and gives a pulse to the NV sensor unit 2 The temperature can be measured through a single electron spin by the waveform, that is, the start pulse 3i, the intermediate pulse 3m, and the final pulse 3f.

한편, 제1 과정(S10)은 대략 다음과 같은 과정을 거쳐 수행될 수 있을 것이다.Meanwhile, the first step S10 may be performed through the following process.

우선, 황산(sulfuric acid), 과염소산(perchloric acid), 질산(nitric acid)을 1:1:1의 비율로 혼합하여 끓인 3산 혼합물(boiling tri-acid mixture)을 다이아몬드의 표면에 적용하여 청소한다.First, a boiling tri-acid mixture is mixed with sulfuric acid, perchloric acid, and nitric acid in a ratio of 1: 1: 1 and applied to the surface of the diamond to be cleaned .

이후, 3산 혼합물이 적용된 다이아몬드를 아세톤, 이소프로필알코올(isopropyl alcohol), 탈염수(Deionized water)에 순차적으로 투입하여 세척한다.Then, the diamonds to which the triacetic acid mixture is applied are sequentially washed in acetone, isopropyl alcohol, and deionized water.

다음으로, PMMA를 다이아몬드 표면에 스핀코터(spincoater)를 이용하여 코팅하고 열처리한다.Next, PMMA is coated on the diamond surface using a spincoater and heat-treated.

여기서, PMMA의 코팅은 먼저, PMMA 495K a6를 다이아몬드 위에 스핀코터를 이용하여 500rpm에서 3초간, 2000rpm에서 45초간 코팅하고, 180℃ 열판(hot plate) 위에서 60초간 열처리후, 그 위에 PMMA 950K를 500rpm에서 3초간, 4000rpm에서 45초간 코팅하고, 180℃ 열판 위에서 60초간 열처리한다.First, PMMA 495K a6 was coated on diamond with a spin coater at 500 rpm for 3 seconds and at 2000 rpm for 45 seconds. After heat treatment for 60 seconds on a 180 占 폚 hot plate, PMMA 950K was spin-coated at 500 rpm For 3 seconds, at 4000 rpm for 45 seconds, and heat-treated on a 180 占 폚 hot plate for 60 seconds.

계속하여, PMMA가 코팅된 다이아몬드에 전자빔을 조사하여 전자빔 패턴을 형성하고, 전자빔 패턴이 완성되면, 다이아몬드에 크롬과 금을 증착한다.Subsequently, an electron beam is irradiated to the diamond coated with PMMA to form an electron beam pattern. When the electron beam pattern is completed, chromium and gold are deposited on the diamond.

이때, PMMA가 코팅된 다이아몬드를 전자빔 기능이 있는 SEM 장비에 넣어 전자빔 패턴 형성을 진행하게 되며, 전자빔 투여는 50~500 μC/㎠ 로 패턴 사이즈에 따른 투여량을 조절하여, 패턴 형태에 맞게 전자빔을 조사하게 된다.At this time, the diamond coated with PMMA is put into the SEM equipment with the electron beam function to form the electron beam pattern. The dose of the electron beam is adjusted to 50 to 500 μC / cm 2 according to the pattern size, .

이후, SEM 장비에서 전자빔이 조사된 다이아몬드를 꺼내어 메틸이소부틸케톤(Methyl isobutyl ketone)과 이소프로필알콜(isopropyl alcohol)이 1:3으로 섞인 용액에 1분 30초간 담근다.Then, the diamond irradiated with the electron beam is taken out from the SEM equipment and immersed in a solution of methyl isobutyl ketone and isopropyl alcohol in a ratio of 1: 3 for 1 minute and 30 seconds.

이때, 담가두는 시간은 패턴의 형태에 따라 조금씩 변동이 있으며, 이렇게 담가두면, 전자빔이 조사된 부분만 PMMA가 남아 소프트 유기 마스크를 형성하게 되는 것이다.At this time, the immersing time varies little by little depending on the pattern, and when soaked, PMMA remains only on the part where the electron beam is irradiated, thereby forming a soft organic mask.

전술한 패턴이 완성되면, 스퍼터(sputter)나, 증발기(evaporator)를 이용하여, 크롬(Cr)은 10 nm, 금은 200 nm의 두께로 증착한다.When the above pattern is completed, chromium (Cr) is deposited to a thickness of 10 nm and gold or silver to a thickness of 200 nm using a sputter or an evaporator.

이때, 크롬은 접착층(adhesion layer)으로 금과 다이아몬드가 서로 잘 접착되도록 하는 것이다.At this time, chromium is an adhesion layer so that gold and diamond are adhered to each other well.

이후, 제2 과정(S20)에서는, 다이아몬드에 크롬을 통하여 금이 증착된 측정 대상물을 아세톤에 하루 정도 담가, 소프트 유기 마스크인 PMMA를 지움으로써 유기 마스크가 결여된 부분에만 금이 남아 금속 마스크가 형성(Lift Off 과정)되는 것이다.Thereafter, in the second process (S20), a measurement object to which gold is deposited through chromium on diamond is immersed in acetone for one day, and PMMA which is a soft organic mask is erased so that only a portion lacking the organic mask is left with a metal mask (Lift Off process).

계속하여, 제3 과정(S30)에서는, 금속 마스크가 형성된 상태에서 다이아몬드를 깎아내는, 즉 식각 과정이 이루어지게 된다.Subsequently, in the third process (S30), the diamond is shaved, that is, the etching process is performed in the state where the metal mask is formed.

산소의 유도결합 플라즈마(inductively coupled plasma)를 이용하여 (10 mtorr의 압력에서 O2 45 SCCM, Bias power : 100 W, ICP power : 700 W의 조건) 플라즈마를 다이아몬드에 인가하게 되면, 금속 마스크로 가려진 부분만 남고, 다이아몬드가 깎이게 된다.When the plasma is applied to the diamond using inductively coupled plasma of oxygen (O2 45 SCCM at a pressure of 10 mtorr, bias power: 100 W, ICP power: 700 W) Only diamonds will be shaved.

여기서, 에칭은 분당 220 nm 정도로 수행되며, 팁의 길이에 맞게, 식각 시간을 조절해주면 되는데, 본 발명에서는 팁의 길이가 1.1㎛정도였기 때문에, 5 분간 식각하였다.Here, the etching is performed at about 220 nm per minute, and the etching time may be adjusted according to the length of the tip. In the present invention, the tip was etched for 5 minutes because the length was about 1.1 탆.

이후, 제4 과정(S40)에서는 캔틸레버 형태를 만들기 위하여, 다이아몬드를 뒤집어 과정을 속행하게 된다.Then, in a fourth step S40, the diamond is turned upside down to form a cantilever shape.

우선, 다이아몬드 캔틸레버는 50㎛ 정도의 두께를 가질 때까지, 10 mtorr의 압력에서 O2 50 SCCM, Bias power : 200 W, ICP power : 2500 W 조건을 이용하여 식각을 진행하되 에칭은 분당 650nm 정도로 수행된다.First, the diamond cantilever is etched using O2 50 SCCM, Bias power: 200 W, ICP power: 2500 W at a pressure of 10 mtorr until the diamond cantilever has a thickness of about 50 μm, and the etching is performed at about 650 nm per minute .

다음으로, 식각이 완료되면 다시 PMMA 코팅 및 패턴을 진행하여 원하는 형태로(예를 들어 20㎛×3㎛)로 금속 마스크를 제작한 후, 다시 산소 플라즈마로 식각하여 최종적인 형태(도 6의 우측 상단)로 만들게 된다.Next, when the etching is completed, the PMMA coating and pattern are again performed to form a metal mask in a desired shape (for example, 20 탆 3 탆), and then etched with oxygen plasma to form the final shape Top).

위의 조건(20㎛×3㎛)으로 다이아몬드를 전부 깎아내기 위하여 150분간 5분 간격으로 5분씩 플라즈마 적용을 멈춰주며 식각을 진행한다.In order to completely cut out the diamond with the above conditions (20 탆 3 탆), stop applying the plasma for 5 minutes at intervals of 5 minutes for 150 minutes and perform the etching.

이렇게 진행된 식각을 통하여 도 6과 같은 다이아몬드 캔틸레버(도 6의 상부 참조) 및 캔틸레버 어레이(도 6의 하부 참조)가 형성되며, 해당 캔틸레버 어레이로부터 사용하고자 하는 다이아몬드 캔틸레버를 집속이온빔 장비(Focused Ion Beam)를 이용하여 절단후 사용할 수 있게 된다.6) and a cantilever array (see the lower part of FIG. 6) are formed through the etching process, and the diamond cantilever to be used is cut from the cantilever array by a focused ion beam device, So that it can be used after cutting.

참고로, 전술한 제1 내지 제4 과정(S10~S40)은 모두 상온에서 진행된다.For reference, all of the first to fourth steps (S10 to S40) described above proceed at room temperature.

이렇게 제작된 다이아몬드 질소 공공 결함(nitrogen vacancy center, 이하 NV)을 포함하는 나노 캔틸레버가 구비된 NV 센서부(2)와 함께 전술한 도 2와 같은 온도 측정 장치를 이용한 온도 측정이 가능하게 될 것이다.The NV sensor unit 2 equipped with the nanocantilever including the nitrogen vacancy center (NV) fabricated as described above can be temperature-measured using the temperature measuring apparatus as shown in FIG. 2 described above.

한편, 본 발명은 도 5와 같은 과정을 거쳐 나노 캔틸레버를 제작할 수도 있으며, 도 7 및 도 8과 같은 과정을 거쳐 나노 캔틸레버를 제작할 수도 있음은 물론이다.In the meantime, the nanocantilever according to the present invention can be fabricated through the same process as shown in FIG. 5, and the nanocantilever can be fabricated through the processes shown in FIGS.

전술한 바와 같이 NV 센서부(2)를 배치하기 전에 NV를 포함하는 팁이 형성된 나노 캔틸레버를 제작하는 과정에 대하여 다음과 같이 살펴보고자 한다.As described above, a process of fabricating a nanocantilever having a tip including NV before arranging the NV sensor unit 2 will be described as follows.

우선, 나노 캔틸레버의 제작은 도 7과 같이, 역피라미드 형상인 복수의 안착홈(11)이 표면에 형성된 실리콘 몰드(10)에 나노 다이아몬드(20)가 희석된 용액(21)을 올리는 제1 과정(S11)을 실시함으로써 시작될 수 있다.First, as shown in FIG. 7, a nanocantilever is manufactured by a first process of raising a solution 21 in which a nanodiamond 20 is diluted in a silicon mold 10 having a plurality of recessed grooves 11 formed in an inverted pyramid shape on its surface (S11). ≪ / RTI >

이후, 나노 다이아몬드(20)가 용액(21)이 증발됨에 따라 복수의 안착홈(11)에 뭉쳐져 안착되는 제2 과정(S21)이 이루어지게 될 것이다.Thereafter, the second process S21 in which the nano-diamonds 20 are stacked and seated in the plurality of seating grooves 11 as the solution 21 evaporates will be performed.

계속하여, 작업자는 전술한 복수의 안착홈(11)들을 포함한 실리콘 몰드(10)의 표면에 폴리디메틸실록산(Polydimethylsiloxane, 이하 PDMS(30))을 부어 응고시킨 다음, 나노 다이아몬드(20)와 함께 응고된 PDMS(30)를 실리콘 몰드(10)로부터 분리시키는 제3 과정(S31)에 따른 작업을 실시할 수 있을 것이다.Subsequently, the operator pours and polydimethylsiloxane (PDMS 30) on the surface of the silicon mold 10 including the plurality of seating grooves 11 described above and then coagulates with the nano diamond 20, The third step S31 of separating the PDMS 30 from the silicon mold 10 may be performed.

한편, 나노 캔틸레버의 제작은 도 8과 같이, 역피라미드 형상인 복수의 안착홈(11)이 표면에 형성된 실리콘 몰드(10)에 나노 다이아몬드(20)가 희석된 용액(21)과 혼합된 PDMS(30)를 부어 올리는 제1 과정(S12)을 실시함으로써 시작될 수 있다.8, the nano-cantilever is made of a PDMS (nano-cantilever) mixed with a solution 21 in which a nanodiamond 20 is diluted in a silicon mold 10 having a plurality of seating grooves 11 having an inverted pyramid shape formed on its surface (S12) of pouring up the pellets (30).

이후, PDMS(30)에 혼합된 나노 다이아몬드(20)가 복수의 안착홈(11)에 뭉쳐져 안착되는 제2 과정(S22)이 이루어지게 될 것이다.Thereafter, a second process (S22) in which the nano-diamonds 20 mixed in the PDMS 30 are stacked and seated in the plurality of seating grooves 11 will be performed.

계속하여, 작업자는 나노 다이아몬드(20)와 함께 응고된 PDMS(30)를 실리콘 몰드(10)로부터 분리시키는 제3 과정(S32) 에 따른 작업을 실시할 수 있을 것이다.Subsequently, the worker can perform the work according to the third step (S32) of separating the solidified PDMS 30 from the silicon mold 10 together with the nano-diamonds 20.

다음으로, 나노 캔틸레버를 제작하는 과정은, 다시 도 7 및 도 8을 참조하면, 실리콘 몰드(10)로부터 분리된 PDMS(30)의 저면과, PDMS(30)의 저면으로부터 안착홈(11)에 대응하는 역피라미드 형상으로 돌출되어 나노 다이아몬드(20)와 함께 PDMS(30)와 일체로 응고된 팁(31)의 외면에 금(40, Au)을 증착하는 제4 과정(S40)에 따른 작업을 더 실시할 수 있다.7 and 8, the process of fabricating the nanocantilever is performed in such a manner that the bottom surface of the PDMS 30 separated from the silicon mold 10 and the bottom surface of the PDMS 30 separated from the bottom surface of the PDMS 30 A work according to a fourth step S40 of depositing gold (Au) on the outer surface of the tip 31 protruding in the corresponding inverted pyramid shape and solidified together with the PDMS 30 together with the nano- .

이후, 금(40)이 증착된 팁(31)의 말단부를 금(40)과 함께 식각(edge cutting)하는 제5 과정(S50)에 따른 작업이 더 실시될 수도 있음은 물론이다.It goes without saying that the fifth step S50 of edge cutting the tip portion 31 of the gold 40 with the gold 40 may be further performed.

따라서, 팁(31)의 말단부에 몰려 안착된 나노 다이아몬드(20)에 녹색광(50)을 조사하면 나노 다이아몬드(20)는 적색광(60)을 반사시킴으로써 NV의 센터 측정이 가능하게 되는 것이다.Therefore, when the green light 50 is irradiated to the nanodiamond 20 which is seated on the distal end of the tip 31, the nanodiamond 20 reflects the red light 60, thereby enabling center measurement of the NV.

참고로, 제1 과정(S11, S12)을 실시하기 전에, 도 7 및 도 8의 좌측 상단부와 같이 실리콘 몰드(10)의 표면에 역피라미드 형상으로 함몰된 복수의 안착홈(11)을 평행하게 형성되도록 에칭하는 작업을 더 실시할 수 있다.7 and 8, a plurality of mounting grooves 11 recessed in an inverted pyramid shape are formed parallel to the surface of the silicon mold 10 (refer to FIG. 7 and FIG. 8) So as to form an etching mask.

또한, 제2 과정(S21, S22)에서는 PDMS(30)를 80℃에서 10시간 동안 가열하여 응고시키는 작업이 실시될 수 있음은 물론이다.It is needless to say that in the second process (S21, S22), the PDMS 30 may be heated at 80 DEG C for 10 hours for coagulation.

참고로, 도 5의 실시예를 포함한 기존의 NV 다이아몬드 캔틸레버, 즉 나노 캔틸레버와 팁은, 통상 대면적을 가진 다이아몬드를 식각 공정을 거쳐 제작하므로, 제작 비용과 가격이 비싸며 작업 공정에 장시간이 요구되므로, 대량생산이 힘든 문제가 있었다.For reference, a conventional NV diamond cantilever, i.e., a nanocantilever and a tip, including the embodiment of FIG. 5, typically has a large area of diamond processed through an etching process, so that manufacturing cost and cost are high and a long time is required for the working process , Mass production was a difficult problem.

특히, 기존의 나노 캔틸레버 및 팁은 다이아몬드의 경도 때문에 측정 대상물의 표면에 손상을 가할 수도 있어서 접촉하여 자기장을 측정하는 것 자체가 불가능한 한계점이 있었다.Particularly, the conventional nanocantilever and tip have a limitation in that it is impossible to measure the magnetic field by contacting the surface of the object to be measured because of the hardness of the diamond.

이에 비하여 본 발명은 도 7 및 도 8과 같은 실시예를 통하여 PDMS(30)를 이용한 팁(31) 및 그 팁(31)에 나노 다이아몬드(20)가 함유되도록 함으로써, 저렴하고 간단한 나노 캔틸레버 및 나노 캔틸레버 어레이의 제작이 가능하게 된다.7 and 8, the tip 31 using the PDMS 30 and the tip 31 contain the nanodiamond 20, and thus the inexpensive and simple nanocantilever and nano- A cantilever array can be manufactured.

특히, 본 발명은 실리콘 몰드(10)의 면적을 키우고 그 표면에 형성되는 안착홈(11)들의 개수를 늘림으로써 얼마든지 대면적의 나노 캔틸레버 어레이의 제작이 가능함은 물론, 나노 캔틸레버를 대량으로 생산할 수 있는 가능성도 열어줄 수 있는 것이다.In particular, by increasing the area of the silicon mold 10 and increasing the number of the mounting grooves 11 formed on the surface of the silicon mold 10, it is possible to manufacture a large-area nano cantilever array as well as to produce a large number of nanocantilevers It is also possible to open the possibility.

이는, 플렉시블하면서 부드러운 PDMS(30)의 물성에 기인하는 바, 기존의 나노 캔틸레버 및 팁과 달리 측정 대상물에 최대한 접근시키거나 심지어는 접촉시킨 상태에서도 온도의 측정이 가능하게 되므로, 더욱 정확한 측정값의 획득이 가능하게 될 것임은 자명하다.This is due to the physical properties of the PDMS 30, which is flexible and smooth. Unlike conventional nano cantilevers and tips, it is possible to measure the temperature even when approaching or even contacting with the object to be measured. Obviously, acquisition will be possible.

이상과 같이 본 발명은 공명주파수의 변화에 무관하게 이상적인 펄스를 생성하여 온도 측정의 민감도 및 정확도를 향상시킬 수 있도록 하는 다이아몬드 질소 공공 결함을 이용한 온도 측정 장치 및 방법을 제공하는 것을 기본적인 기술적 사상으로 하고 있음을 알 수 있다.As described above, the present invention provides an apparatus and a method for measuring temperature using a diamond nitrogen vacancy defect, which is capable of generating an ideal pulse irrespective of a change in resonance frequency to improve the sensitivity and accuracy of temperature measurement. .

그리고, 본 발명의 기본적인 기술적 사상의 범주 내에서 당해 업계 통상의 지식을 가진 자에게 있어서는 다른 많은 변형 및 응용 또한 가능함은 물론이다.It will be apparent to those skilled in the art that many other modifications and applications are possible within the scope of the basic technical idea of the present invention.

1...피에조스테이지 컨트롤러
2...NV 센서부
3...펄스 생성 유닛
3i...시작펄스
3f...최종펄스
3m...중간펄스
4...공촛점 스캐닝 유닛
5...단일 광자 카운터
6...게이팅 광자 카운팅 유닛
7...메인 타이밍 제어 유닛
8...피드백 위치보정기
1 ... piezo stage controller
2 ... NV sensor unit
3 ... pulse generating unit
3i ... start pulse
3f ... final pulse
3m ... intermediate pulse
4 ... Confocal Scanning Unit
5 ... single photon counter
6 ... Gating photon counting unit
7 ... main timing control unit
8 ... feedback position compensator

Claims (12)

스핀(spin)의 양자 상태를 변화시키는 마이크로웨이브를 다이아몬드 질소 공공에 인가하고 상기 질소 공공의 스핀의 양자 위상을 측정하여 온도를 측정하며,
상기 마이크로웨이브는,
상기 마이크로웨이브가 상기 질소 공공에 인가되도록 설정된 전체시간동안 서로 다른 다수의 진폭을 가지는 것을 특징으로 하는 다이아몬드 질소 공공 결함을 이용한 온도 측정 방법.
A microwave for changing the quantum state of spin is applied to the diamond nitrogen vacancy, the quantum phase of the spin of the nitrogen vacancy is measured to measure the temperature,
In the microwave,
Wherein the microwave has a plurality of different amplitudes over the entire time set to be applied to the nitrogen vacancies.
삭제delete 청구항 1에 있어서,
상기 마이크로웨이브는,
상기 마이크로웨이브가 상기 질소 공공에 인가되도록 설정된 전체시간 중, 상기 전체시간을 서로 다르거나 같은 길이로 분할한 복수의 분할시간에 대응하는 서로 다른 진폭의 분할 웨이브를 포함하는 것을 특징으로 하는 다이아몬드 질소 공공 결함을 이용한 온도 측정 방법.
The method according to claim 1,
In the microwave,
And a divided wave having different amplitudes corresponding to a plurality of divided time periods in which the entire time is divided into different lengths or equal lengths of the whole time set so that the microwave is applied to the nitrogen vacancy. Method of measuring temperature using defects.
청구항 1 또는 청구항 3 중 어느 한 항에 있어서,
상기 마이크로웨이브는,
상기 마이크로웨이브가 상기 질소 공공에 인가되도록 설정된 전체시간동안 상기 질소 공공에 인가되는 서로 진폭이 같거나 다른 복수의 사인파의 합인 것을 특징으로 하는 다이아몬드 질소 공공 결함을 이용한 온도 측정 방법.
The method according to any one of claims 1 to 3,
In the microwave,
Wherein the microwave is a sum of a plurality of sine waves having the same amplitude or different amplitude and applied to the nitrogen vacancies for a total time set to be applied to the nitrogen vacancies.
청구항 4에 있어서,
상기 전체시간동안 임의의 한 주기의 시작과 끝의 진폭이 0인 다수의 사인파 중 상기 임의의 한 주기가 각각 서로 다른 사인파 성분을 추출하고, 상기 추출된 사인파 성분의 진폭을 변조하여 상기 질소 공공에 인가될 상기 마이크로웨이브를 생성하는 것을 특징으로 하는 다이아몬드 질소 공공 결함을 이용한 온도 측정 방법.
The method of claim 4,
Wherein the sinusoidal wave component of the arbitrary one of the plurality of sinusoidal waves having an amplitude of 0 at the beginning and the end of an arbitrary one period during the entire time is extracted and the amplitude of the extracted sinusoidal component is modulated, And the microwave to be applied is generated.
청구항 1에 있어서,
상기 질소 공공의 스핀 양자 위상의 측정은,
상기 질소 공공의 스핀 상태를 광학적으로 여기할 수 있는 빔(beam)을 생성하는 광원을 포함하는 공촛점 스캐닝 유닛과,
상기 질소 공공에 인가될 수 있는 상기 마이크로웨이브를 생성하는 펄스 생성 유닛과,
상기 질소 공공을 포함한 팁(Tip)이 구비된 NV 센서부와,
광 방사의 흡수 강도 측정이 가능하도록, 상기 빔이 상기 NV 센서부를 통과한 후 출력된 광 방사를 검출하는 검출기를 포함하는 온도 측정 장치를 이용하여 수행되는 것을 특징으로 하는 다이아몬드 질소 공공 결함을 이용한 온도 측정 방법.
The method according to claim 1,
The measurement of the spin quantum phase of the nitrogen vacancies is carried out,
A confocal scanning unit including a light source for generating a beam capable of optically exciting the spin state of the nitrogen vacancy,
A pulse generating unit generating the microwave that can be applied to the nitrogen vacancy,
An NV sensor unit having a tip including the nitrogen vacancy,
And a detector for detecting the emission of light after the beam passes through the NV sensor unit so that the absorption intensity of the light emission can be measured. How to measure.
청구항 6에 있어서,
상기 NV 센서부는,
상기 팁을 복수로 병렬 배치한 구조를 포함하는 것을 특징으로 하는 다이아몬드 질소 공공 결함을 이용한 온도 측정 방법.
The method of claim 6,
Wherein the NV sensor unit comprises:
And a plurality of the tips are arranged in parallel with each other.
스핀(spin)의 양자 상태를 변화시키는 마이크로웨이브를 다이아몬드 질소 공공에 인가하고 상기 질소 공공의 스핀의 양자 위상을 측정하여 온도를 측정하며,
상기 마이크로웨이브는,
상기 마이크로웨이브가 상기 질소 공공에 인가되도록 설정된 전체시간동안 서로 다른 다수의 진폭을 가지는 것을 특징으로 하는 다이아몬드 질소 공공 결함을 이용한 온도 측정 장치.
A microwave for changing the quantum state of spin is applied to the diamond nitrogen vacancy, the quantum phase of the spin of the nitrogen vacancy is measured to measure the temperature,
In the microwave,
Wherein the microwave has a plurality of amplitudes that are different from each other for a total time set to be applied to the nitrogen vacancies.
다이아몬드 질소 공공의 스핀 상태를 광학적으로 여기할 수 있는 빔(beam)을 생성하는 광원을 포함하는 공촛점 스캐닝 유닛과,
상기 질소 공공에 인가될 수 있는 마이크로웨이브를 생성하는 펄스 생성 유닛과,
상기 질소 공공을 포함한 팁(Tip)이 구비된 NV 센서부와,
광 방사의 흡수 강도 측정이 가능하도록, 상기 빔이 상기 NV 센서부를 통과한 후 출력된 광 방사를 검출하는 검출기를 포함하며,
상기 질소 공공에 상기 마이크로웨이브가 인가되고, 상기 NV 센서부의 상기 스핀의 양자 위상을 측정하여 온도가 측정되는 것을 특징으로 하는 다이아몬드 질소 공공 결함을 이용한 온도 측정 장치.
A confocal scanning unit including a light source for generating a beam capable of optically exciting the spin state of the diamond nitrogen vacancy,
A pulse generating unit for generating a microwave which can be applied to the nitrogen vacancy,
An NV sensor unit having a tip including the nitrogen vacancy,
And a detector for detecting the light emission after the beam has passed through the NV sensor section so that the absorption intensity of the light emission can be measured,
Wherein the microwave is applied to the nitrogen vacancy and the temperature is measured by measuring the quantum phase of the spin of the NV sensor unit.
청구항 8 또는 청구항 9에 있어서,
상기 마이크로웨이브는,
상기 마이크로웨이브가 상기 질소 공공에 인가되도록 설정된 전체시간동안 서로 다른 다수의 진폭을 가지는 것을 특징으로 하는 다이아몬드 질소 공공 결함을 이용한 온도 측정 장치.
The method according to claim 8 or 9,
In the microwave,
Wherein the microwave has a plurality of amplitudes that are different from each other for a total time set to be applied to the nitrogen vacancies.
청구항 9에 있어서,
상기 공촛점 스캐닝 유닛과 상기 NV 센서부의 상부측 사이에 배치되어 상기 공촛점 스캐닝 유닛 및 상기 NV 센서부와 연결되며, 상기 팁의 단부와 접촉 또는 근접 가능하게 배치되는 측정 대상물의 변위에 따른 부궤환 기반의 위치 보정을 실시하는 피드백 위치보정기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 다이아몬드 질소 공공 결함을 이용한 온도 측정 장치.
The method of claim 9,
Wherein the confocal scanning unit and the NV sensor unit are disposed between the confocal scanning unit and the upper side of the NV sensor unit and connected to the confocal scanning unit and the NV sensor unit, Based position correction of the temperature of the diamond nitrogen vacancy.
청구항 9에 있어서,
상기 NV 센서부와 펄스 생성 유닛 및 공촛점 스캐닝 유닛과 연결되며, 상기 빔이 조사된 상기 질소 공공으로부터의 상기 광 방사를 측정하는 스펙트럼분석기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 다이아몬드 질소 공공 결함을 이용한 온도 측정 장치.
The method of claim 9,
Further comprising a spectral analyzer connected to the NV sensor unit, the pulse generating unit and the confocal scanning unit, the spectral analyzer measuring the light emission from the beam irradiated nitrogen vacancies Measuring device.
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