KR102378923B1 - 다이아몬드 질소-빈자리 센서를 이용한 자기장 및 온도 측정 장치 및 방법 - Google Patents

다이아몬드 질소-빈자리 센서를 이용한 자기장 및 온도 측정 장치 및 방법 Download PDF

Info

Publication number
KR102378923B1
KR102378923B1 KR1020200095508A KR20200095508A KR102378923B1 KR 102378923 B1 KR102378923 B1 KR 102378923B1 KR 1020200095508 A KR1020200095508 A KR 1020200095508A KR 20200095508 A KR20200095508 A KR 20200095508A KR 102378923 B1 KR102378923 B1 KR 102378923B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
reference signal
magnetic field
microwave
temperature
frequency
Prior art date
Application number
KR1020200095508A
Other languages
English (en)
Other versions
KR20220015238A (ko
Inventor
심정현
오상원
김기웅
이광걸
Original Assignee
한국표준과학연구원
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 한국표준과학연구원 filed Critical 한국표준과학연구원
Priority to KR1020200095508A priority Critical patent/KR102378923B1/ko
Publication of KR20220015238A publication Critical patent/KR20220015238A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR102378923B1 publication Critical patent/KR102378923B1/ko

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/62—Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light
    • G01N21/63—Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light optically excited
    • G01N21/64—Fluorescence; Phosphorescence
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C30—CRYSTAL GROWTH
    • C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
    • C30B30/00—Production of single crystals or homogeneous polycrystalline material with defined structure characterised by the action of electric or magnetic fields, wave energy or other specific physical conditions
    • C30B30/02—Production of single crystals or homogeneous polycrystalline material with defined structure characterised by the action of electric or magnetic fields, wave energy or other specific physical conditions using electric fields, e.g. electrolysis
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01K—MEASURING TEMPERATURE; MEASURING QUANTITY OF HEAT; THERMALLY-SENSITIVE ELEMENTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01K11/00—Measuring temperature based upon physical or chemical changes not covered by groups G01K3/00, G01K5/00, G01K7/00 or G01K9/00
    • G01K11/006—Measuring temperature based upon physical or chemical changes not covered by groups G01K3/00, G01K5/00, G01K7/00 or G01K9/00 using measurement of the effect of a material on microwaves or longer electromagnetic waves, e.g. measuring temperature via microwaves emitted by the object
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
    • G01N21/25—Colour; Spectral properties, i.e. comparison of effect of material on the light at two or more different wavelengths or wavelength bands
    • G01N21/31—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry
    • G01N21/39—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry using tunable lasers
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R33/00—Arrangements or instruments for measuring magnetic variables
    • G01R33/02—Measuring direction or magnitude of magnetic fields or magnetic flux
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01V—GEOPHYSICS; GRAVITATIONAL MEASUREMENTS; DETECTING MASSES OR OBJECTS; TAGS
    • G01V3/00—Electric or magnetic prospecting or detecting; Measuring magnetic field characteristics of the earth, e.g. declination, deviation
    • G01V3/08—Electric or magnetic prospecting or detecting; Measuring magnetic field characteristics of the earth, e.g. declination, deviation operating with magnetic or electric fields produced or modified by objects or geological structures or by detecting devices
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/62—Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light
    • G01N21/63—Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light optically excited
    • G01N21/64—Fluorescence; Phosphorescence
    • G01N2021/6417—Spectrofluorimetric devices
    • G01N2021/6421—Measuring at two or more wavelengths

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Remote Sensing (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Immunology (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Environmental & Geological Engineering (AREA)
  • Geology (AREA)
  • General Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Geophysics (AREA)
  • Nuclear Medicine, Radiotherapy & Molecular Imaging (AREA)
  • Crystals, And After-Treatments Of Crystals (AREA)
  • Optical Modulation, Optical Deflection, Nonlinear Optics, Optical Demodulation, Optical Logic Elements (AREA)

Abstract

본 발명은 다이아몬드 질소-빈자리 센서를 이용하여 자기장 및/또는 온도를 측정하기 위한 방법 및 장치에 관한 것으로, 다이아몬드 질소-빈자리센서기반 측정장치는 다이아몬드 질소-빈자리 센서, 제1 기준 신호 및 제2 기준 신호를 생성하는 주파수 합성기, 상기 제1 기준 신호에 기초하여 주파수 변조되고 상기 다이아몬드 질소-빈자리 센서에서 제1 스핀 전이를 야기하는 제1 마이크로파를 생성하는 제1 마이크로파 생성기, 상기 제2 기준 신호에 기초하여 주파수 변조되고 상기 다이아몬드 질소-빈자리 센서에서 제2 스핀 전이를 야기하는 제2 마이크로파를 생성하는 제2 마이크로파 생성기, 상기 다이아몬드 질소-빈자리 센서에 스핀 양자를 여기시키기 위한 레이저를 인가하는 레이저 조사부, 상기 제1 마이크로파 및 상기 제2 마이크로파를 합친 후 증폭하여 상기 다이아몬드 질소-빈자리 센서로 인가하는 전력 증폭기, 상기 다이아몬드 질소-빈자리 센서에서 출력되는 형광 신호를 검출하는 검출기, 상기 레이저의 전력을 측정하는 기준 검출기, 상기 검출기의 출력 신호와 상기 기준 검출기의 출력 신호 간의 차이를 출력하는 차동 회로, 상기 차동 회로 출력과 상기 제1 기준 신호와 비교한 결과를 출력하는 제1 락인엠프(lock in amplifier) 및 상기 차동 회로 출력과 상기 제2 기준 신호를 비교한 결과를 출력하는 제2 락인엠프를 포함할 수 있으며, 이에 의해 자기장 측정 시에는 온도에 따른 영향을 제거하고, 온도 측정 시에는 자기장 변화에 따른 영향을 제거하여 좀 더 정밀한 측정이 가능하도록 할 수 있다.

Description

다이아몬드 질소-빈자리 센서를 이용한 자기장 및 온도 측정 장치 및 방법{METHOD AND APPRATUS FOR SENSING MAGNETIC FIELD AND TEMPERATURE USING DIAMOND NITROGEN VACANCY SENSOR}
다양한 실시 예는 다이아몬드 질소-빈자리 센서를 이용하여 자기장 및/또는 온도를 측정하기 위한 방법 및 장치에 관한 것이다.
다이아몬드 결정은 탄소 원자로 구성되지만 탄소 원자가 다른 유형의 원자로 대체되면 격자 결함이 생긴다. 그 중의 하나가 질소-빈자리(nitrogen-vacancy center)로, 하나의 탄소 원자가 질소 원자로 대체되고 그 이웃의 탄소 원자는 빠져서 빈 공간으로 남아 있게 된다.
다이아몬드 질소-빈자리(diamond nitrogen-vacancy center, DNV)는 스핀 수(S)가 1인 전자 스핀을 가져 스핀 양자가 +1, 0, -1의 세 가지 스핀 상태(ms)를 가질 수 있다. 다이아몬드 내 질소-빈자리의 축 방향으로 외부 자기장이 존재하지 않는 경우, +1과 -1 스핀 상태(ms)의 스핀 양자가 중첩되어 유사한 에너지 준위에 존재하지만, 다이아몬드 내 질소-빈자리의 축 방향으로 외부 자기장이 존재하는 경우 지만(Zeeman) 효과로 인하여 질소-빈자리 +1, -1 스핀 상태(ms)의 스핀 양자의 중첩이 사라지고 서로 상이한 에너지 준위에 존재하게 되어, 질소-빈자리 스핀 양자는 스핀 상태(ms=0)와 스핀 상태(ms=+1) 사이 또는 스핀 상태(ms=0)와 스핀 상태(ms=-1) 사이의 스핀 전이에 해당하는 두 개의 공명 주파수를 가지게 된다. 두 공명 주파수의 차이는 외부 자기장의 크기에 비례한다.
다이아몬드 질소-빈자리에 532nm 파장의 레이저를 조사하면 스핀 상태(ms=0)의 양자는 여기 되었다가 600nm 이상의 적색광을 방출하면서 기저 상태로 돌아오고, 스핀 상태(ms=+1) 및 스핀 상태(ms=-1)의 양자는 여기 되었다가 적색광은 방출하지 않고 스핀 상태(ms=0)로 변화하면서 기저 상태로 돌아온다. 따라서 방출되는 적색광의 형광량은 스핀 상태(ms=0)에 있는 스핀 양자의 양에 비례할 수 있다.
다이아몬드 질소-빈자리에 스핀 전이에 해당하는 두 개의 공명 주파수를 인가하면 스핀 상태(ms=0)에서 스핀 상태(ms=+1) 또는 스핀 상태(ms=-1)로의 스핀 전이가 야기되어 이에 따라, 스핀 상태(ms=0)의 양자량이 줄어들어 방출되는 적색광의 형광량은 줄어들게 된다.
따라서, 다이아몬드 질소-빈자리에 변화되는 마이크로파 주파수를 인가하면서 주파수에 따른 형광량 변화를 기록하면 각 스핀 전이에 해당하는 공명 주파수에서 형광량이 감소된 형태의 ODMR(optically detected magnetic resonance) 스펙트럼을 획득할 수 있다. 이 ODMR 스펙트럼에서 형광량이 감소된 두 개의 공명 주파수의 차이에 기초하여 다이아몬드 질소-빈자리에 인가되는 자기장의 크기를 결정할 수 있다.
다이아몬드 질소-빈자리를 이용하여 외부 자기장의 변화를 측정하고자 하는 경우, 자기장이 존재하지 않을 때 스핀 전이를 야기하는 공명 주파수가 온도에 따라 변화할 수 있다는 것이다. 따라서, 외부 자기장의 변화를 측정하기 위하여 다이아몬드에 레이저를 조사하는 경우 다이아몬드의 온도를 지속적으로 증가하게 하여 영자기장 공명 주파수에 영향을 미침으로써 측정된 외부 자기장의 정확도를 저하시킬 수 있다는 문제점이 있다.
따라서, 본 발명에서는 온도 증가에 따른 영자기장 공명 주파수(D) 변화의 영향을 해소할 수 있는 다이아몬드 질소-빈자리를 이용한 자기장 변화 측정 방법 및 장치를 제공함에 있다.
또한, 역으로 본 발명에서는 자기장의 변화의 영향을 해소하면서 온도를 정밀하게 측정할 수 있는 다이아몬드 질소-빈자리를 이용한 온도 측정 방법 및 장치를 제공함에 있다.
또한, 본 발명에서는 다이아몬드 질소-빈자리를 이용하여 자기장 및 온도 변화를 동시에 정밀하게 측정할 수 있는 방법 및 장치를 제공함에 있다.
본 문서에서 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 개시의 다양한 실시 예들에 따르면, 다이아몬드 질소-빈자리(diamond nitrogen-vacancy center, DNV) 센서기반 측정장치는 다이아몬드 질소-빈자리 센서, 제1 기준 신호 및 제2 기준 신호를 생성하는 주파수 합성기, 상기 제1 기준 신호에 기초하여 주파수 변조되고 상기 다이아몬드 질소-빈자리 센서에서 제1 스핀 전이를 야기하는 제1 마이크로파를 생성하는 제1 마이크로파 생성기, 상기 제2 기준 신호에 기초하여 주파수 변조되고 상기 다이아몬드 질소-빈자리 센서에서 제2 스핀 전이를 야기하는 제2 마이크로파를 생성하는 제2 마이크로파 생성기, 상기 다이아몬드 질소-빈자리 센서에 스핀 양자를 여기시키기 위한 레이저를 인가하는 레이저 조사부, 상기 제1 마이크로파 및 상기 제2 마이크로파를 합친 후 증폭하여 상기 다이아몬드 질소-빈자리 센서로 인가하는 전력 증폭기, 상기 다이아몬드 질소-빈자리 센서에서 출력되는 형광 신호를 검출하는 검출기, 상기 레이저의 전력을 측정하는 기준 검출기, 상기 검출기의 출력 신호와 상기 기준 검출기의 출력 신호 간의 차이를 출력하는 차동 회로, 상기 차동 회로 출력과 상기 제1 기준 신호를 비교한 결과를 출력하는 제1 락인엠프(lock in amplifier) 및 상기 차동 회로 출력과 상기 제2 기준 신호를 비교한 결과를 출력하는 제2 락인엠프를 포함할 수 있다.
본 개시의 다양한 실시 예들에 따르면, 다이아몬드 질소-빈자리(diamond nitrogen-vacancy center, DNV) 센서기반 측정방법은 측정을 위한 파라미터를 설정하는 동작, 제1 기준 신호 및 제2 기준 신호를 생성하는 동작, 상기 다이아몬드 질소-빈자리 센서에 상기 제1 기준 신호에 기초하여 주파수 변조되고 제1 스핀 전이를 야기하는 제1 마이크로파 및 상기 제2 기준 신호에 기초하여 주파수 변조되고 제2 스핀 전이를 야기하는 제2 마이크로파를 인가하는 동작, 상기 다이아몬드 질소-빈자리 센서에 스핀 양자를 여기시키기 위한 레이저를 인가하는 동작, 상기 다이아몬드 질소-빈자리 센서로부터 출력되는 형광 신호와 상기 레이저의 출력 신호와의 차이를 나타내는 차동 신호를 출력하는 동작, 상기 차동 신호와 상기 제1 기준 신호를 비교한 제1 결과를 출력하는 동작, 상기 차동 신호와 상기 제2 기준 신호를 비교한 제2 결과를 출력하는 동작 및 상기 제1 결과 및/또는 상기 제2 결과에 기초하여 자기장 및/또는 온도 변화를 측정하는 동작을 포함할 수 있다.
다양한 실시 예들에 따라, 다이아몬드 질소-빈자리를 이용하여 자기장의 변화 측정 시 온도 변화의 영향을 제거함으로써 더욱 정밀한 자기장 변화를 측정할 수 있다.
다양한 실시 예들에 따라, 다이아몬드 질소-빈자리를 이용하여 온도를 측정 시 외부 자기장 변화의 영향을 제거함으로써 더욱 정밀하게 온도를 측정할 수 있다.
다양한 실시 예들에 따라, 다이아몬드 질소-빈자리를 이용하여 자기장과 온도를 서로의 간섭 없이 동시에 측정할 수 있다.
본 개시에서 얻을 수 있는 효과는 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 개시가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1는 다이아몬드 질소-빈자리의 에너지 준위 다이어그램을 도시한 도면이다.
도 2는 ODMR 스펙트럼의 일 예를 도시한 도면이다.
도 3은 특정한 기준 신호로 주파수 변조(frequency modulated)된 마이크로파를 가해주며, 광검출기에서 발생된 신호 중 기준 신호 성분만을 위상 비교하여 ODMR 스펙트럼을 얻는 예를 도시한 도면이다.
도 4는 락인엠프 출력의 예를 도시한 도면이다.
도 5 및 도 6은 외부 자기장 변화에 따른 LIA 출력의 변화 예를 도시한 도면이다.
도 7은 질소(14N) 핵 스핀까지 고려된 에너지 준위 다이어그램에서 각 스핀 상태들 간의 전이를 도시한 도면이다.
도 8은 질소(14N) 핵 스핀까지 고려한 경우의 ODMR 스펙트럼 및 락인엠프 출력의 일 예를 도시한 도면이다.
도 9 및 도 10은 다이아몬드 질소-빈자리에 이중 주파수 변조된 마이크로파를 인가하는 경우의 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 11은 CPT 효과가 발생하는 원리를 도시한 도면이다.
도 12는 CPT 효과 발생에 따른 제로크로싱 기울기가 감소하는 예를 도시한 도면이다.
도 13 및 도 14는 CPT 효과가 발생하지 않는 이중 구동 주파수 선택의 예를 도시한 도면이다.
도 15는 다이아몬드 질소-빈자리 센서를 이용하여 자기장 및 온도를 측정하는 장치를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 16은 다이아몬드 질소-빈자리 센서의 일 예를 도시한 도면이다.
도 17은 다이아몬드 질소-빈자리 센서기반 측정장치의 자기장 측정 방법 또는 온도 측정 방법을 도시한 흐름도이다.
도 18은 다이아몬드 질소-빈자리 센서의 실제 온도 변화와 측정된 온도 신호 사이의 선형 관계를 이용해 다이아몬드 질소-빈자리 센서의 온도 측정값을 교정하는 예를 도시한 도면이다.
도 19는 본 발명에서 제안하는 다이아몬드 질소-빈자리 센서를 이용하여 자기장 및 온도를 측정하는 장치에 의해 동시에 측정된 자기장 변화 및 온도 변화의 일 예를 도시한 도면이다.
도면의 설명과 관련하여, 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일 또는 유사한 참조 부호가 사용될 수 있다.
이하 다양한 실시 예들이 첨부된 도면을 참고하여 상세히 설명된다.
도 1은 다이아몬드 질소-빈자리의 에너지 준위 다이어그램을 도시한 도면이다.
도 1을 참조하면, 다이아몬드 질소-빈자리의 스핀 양자가 스핀 상태(ms=0) 및 서로 대칭인 스핀 상태(ms=+1)와 스핀 상태(ms=-1)의 세 개의 스핀 상태를 가지는 스핀 트리플릿(triplet)인 기저 상태(210)를 가진다. 자기장이 없는 경우, 스핀-스핀 상호 작용에 의해 스핀 상태(ms=+1)와 스핀 상태(ms=-1)는 스핀 상태(ms=0)로부터 일정 에너지 레벨 떨어진 동일한 에너지 상태에 있게 된다. 자기장이 없는 경우 스핀 상태(ms=0)의 에너지 준위는 스핀 상태(ms=+1) 및 스핀 상태(ms=-1)의 에너지 준위로부터 대략 2.87GHz의 에너지만큼 분리되어 있다.
기저 상태(210)에서 외부 자기장이 가해지면, 동일한 에너지를 가지고 있던 스핀 상태(ms=+1)와 스핀 상태(ms=-1)의 에너지가 가해진 외부 자기장의 크기에 비례하여 분리된 에너지 준위(250)를 가지게 된다.
기저 상태(210)의 다이아몬드 질소-빈자리의 스핀 양자는 녹색 광이 조사되면 여기 상태(220)로 여기된다. 녹색광은 637nm 이하의 파장을 가진 광일 수 있으나, 바람직하게는 532nm 파장을 가진 광일 수 있다. 이때, 다이아몬드 질소-빈자리의 스핀 양자는 자신의 스핀 상태를 유지하면서 여기된다.
여기 상태(220)의 스핀 양자는 기저 상태(210)로 되돌아오게 되는데 스핀 상태(ms=0)의 스핀 양자는 대부분 적색광(예: 600nm 이상 900nm 이하)의 광자를 방출하면서 스핀 상태(ms=0)의 기저 상태(210)로 되돌아오고(241), 일부는 싱글렛(singlet)(230)을 거쳐서 기저 상태(210)로 되돌아오게 되는데(243), 싱글렛(230)을 거치는 경우 적색광을 방출하지 않고 기저 상태(210)로 되돌아오게 된다.
여기 상태(220)의 스핀 상태(ms=+1)와 스핀 상태(ms=-1)의 다이아몬드 질소-빈자리의 스핀 양자는 대부분 싱글렛(230)을 거쳐서 기저 상태(210)로 되돌아오며, 되돌아올 때 원래의 스핀 상태(ms=±1)가 아닌 스핀 상태(ms=0)로 돌아오게 된다. 따라서 녹색 광을 조사하면, 일정 시간이 지난 후 다이아몬드 질소-빈자리의 스핀 양자는 대부분 스핀 상태(ms=0)를 가지게 된다.
한편, 스핀 상태(ms=0)에서 스핀 상태(ms=0)와 스핀 상태(ms=+1) 간 또는 스핀 상태(ms=0)와 스핀 상태(ms=-1) 간의 에너지 차이에 해당하는 공명 주파수를 인가하면, 기저 상태(210)의 스핀 상태(ms=0)에서 스핀 상태(ms=+1) 또는 스핀 상태(ms=-1)로의 스핀 전이가 유도된다. 외부 자기장(B)하에서 각 공명 주파수(F)는 F=D±ηB에 의해 결정된다. 여기서, D는 자기장이 없는 경우의 공명 주파수, 즉 영 자기장 분리 공명 주파수로 2.87GHz의 값을 가지고, η는 전자 스핀 자기회전 비로 28MHz/mT의 값을 가질 수 있다.
다이아몬드 질소-빈자리의 기저 상태(210)의 스핀 양자에 녹색광(예: 532nm 파장의 광)을 인가하면 여기 상태(220)로 여기되고, 여기 상태(220)의 스핀 상태(ms=+1) 및 스핀 상태(ms=-1)의 스핀 양자의 대부분은 도1의 243을 통해 적색광을 방출하지 않고 기저 상태(210)로 돌아가고, 여기 상태(220)의 스핀 상태(ms=0)의 스핀 양자의 대부분은 도 1의 241을 따라 600nm 이상의 적색광을 방출하면서 기저 상태(210)로 돌아간다. 이때 스핀 상태(ms=±1)의 스핀 양자는 스핀 상태(ms=0)로 변환되면서 기저 상태(210)로 돌아가고, 스핀 상태(ms=0)의 스핀 양자 스핀 상태를 유지하면서 기저 상태(210)로 돌아간다.
따라서, 가해주는 마이크로파의 파장을 바꾸어 주면서 포토 다이오드를 이용하여 방출된 광량의 변화를 기록하는 ODMR(optically-detected magnetic resonance) 스펙트럼을 기록하면, 스핀 상태(ms=0)와 스핀 상태(ms=+1) 간 에너지 차이 및 스핀 상태(ms=0)와 스핀 상태(ms=-1) 간 에너지 차이에 해당하는 두 개의 공명 주파수에서 광량이 낮은 부분이 관측될 수 있다.
도 2는 ODMR 스펙트럼의 일 예를 도시한 도면이다.
도 2를 참조하면, ODMR 스펙트럼은 스핀 상태(ms=0)와 스핀 상태(ms=+1) 간 에너지 차이(263) 또는 스핀 상태(ms=0)와 스핀 상태(ms=-1) 간 에너지 차이(261)에 해당하는 두 개의 공명 주파수에서 측정되는 광량이 낮게 나오게 된다. 해당하는 공명 주파수가 아닌 다른 주파수가 인가되면 기저 상태(210)의 스핀 상태(ms=0)가 스핀 상태(ms=+1) 또는 스핀 상태(ms=-1)로 여기되지 않고 스핀 상태(ms=0)로 남아있게 된다. 그리고 녹색광에 의해 여기 상태(220)로 여기되면, 스핀 상태(ms=0)로 남아 있던 다이아몬드 질소-빈자리의 스핀 양자가 도 1의 241 경로를 따라 적색광의 광자를 방출하면서 기저 상태(210)로 돌아오게 된다. 반대로 해당하는 공명 주파수가 가해지면 기저 상태(210)에서 스핀 상태(ms=0)의 스핀 양자가 스핀 상태(ms=+1) 또는 스핀 상태(ms=-1)로 변환되고, 다시 녹색광에 의해 여기 상태(220)로 여기된 뒤 도 1의 243 경로를 통해 적색광의 광자를 방출하지 않으면서 기저 상태(210)로 돌아오게 되어 포토 다이오드에서 측정하는 광량이 작아지게 된다. 따라서, ODMR 스펙트럼을 측정하면 스핀 상태(ms=0)와 스핀 상태(ms=+1) 간 에너지 차이(263) 및 스핀 상태(ms=0)와 스핀 상태(ms=-1) 간 에너지 차이(261)에 해당하는 두 개의 공명 주파수에서 측정되는 광량이 낮게 나오게 된다. 그리고 이 두 개의 주파수 대역의 차이는 다이아몬드 질소-빈자리에 인가되는 자기장의 세기에 비례한다. 따라서, 다이아몬드 질소-빈자리는 존재하는 자기장 또는 자기장의 변화를 검출하는데 이용될 수 있다.
도 2에 도시된 것과 같은 ODMR 스펙트럼을 얻을 때, 신호대 잡음비의 향상을 위해 주파수 변조 기법을 사용할 수 있다.
도 3은 특정한 기준 신호로 주파수 변조(frequency modulated)된 마이크로파를 가해주며, 광검출기에서 발생된 신호 중 기준 신호 성분만을 위상 비교하여 ODMR 스펙트럼을 얻는 예를 도시한 도면이고, 도 4는 락인엠프 출력의 예를 도시한 도면이다.
도 3을 참조하면, 공명 주파수가 아닌 주파수로 기준 신호를 주파수 변조한 마이크로파(310)를 인가하면 기울기가 거의 없어 광검출기에서 발생된 신호에 기준 신호 성분이 거의 없게 된다. 반면에 공명 주파수로 기준 신호를 주파수 변조한 마이크로파(320)를 인가하면 해당 영역에서의 기울기가 커서 광검출기에서 검출된 신호에 기준 신호 성분이 나오게 된다. 따라서, 기준 신호가 가지고 있는 주파수를 추출할 수 있는 락인엠프(lock-in amplifier, LIA)를 사용하면 기준 신호를 검출할 수 있다. 도 3에 도시된 것과 같은 주파수 변조를 사용하면 기준 신호를 상대적으로 높일 수 있어 신호의 낮은 주파수 대역에서 존재하는 노이즈의 영향에서 벗어나 신호대 잡음비가 향상될 수 있다. 도 3을 보면 알 수 있는 것처럼, 락인엠프 신호에 입력되는 신호의 크기는 ODMR 스펙트럼의 기울기에 비례하게 되어, 주파수 변조 방식을 통해 얻어지는 락인엠프 신호 출력은 원 ODMR 스펙트럼의 미분 형태를 가지게 되고 도 4에 도시된 것과 같은 신호 출력이 된다. 따라서, 도 4에 도시된 락인엠프 출력의 변화를 검출하면 외부 자기장의 변화를 검출할 수 있다.
도 5 및 도 6은 외부 자기장 변화에 따른 락인엠프 출력의 변화 예를 도시한 도면이다.
도 5를 참조하면, 주파수 변조 마이크로파의 중심 주파수가 다이아몬드 질소-빈자리의 스핀 양자가 스핀 상태(ms=0)에서 스핀 상태(ms=-1)로 스핀 전이하는 경우의 공명 주파수인 D-ηB로 고정된 상황에서 외부 자기장이 ΔB만큼 변화할 경우 스펙트럼은 낮은 주파수 쪽으로 이동하고 락인엠프 출력이 변화하게 된다. 이 변화(ΔSLIA)는 αηΔB로 주어진다.
도 6을 참조하면, 주파수 변조 마이크로파의 중심 주파수가 다이아몬드 질소-빈자리의 스핀 양자가 스핀 상태(ms=0)에서 스핀 상태(ms=+1)로 스핀 전이하는 경우의 공명 주파수인 D+ηB로 고정된 상황에서 외부 자기장이 ΔB만큼 변화할 경우 스펙트럼은 높은 주파수 쪽으로 이동하고 락인엠프 출력이 변화하게 된다. 이 변화(ΔSLIA)는 -αηΔB로 주어진다. 따라서, 위상 반전된 자기장의 변화를 측정할 수 있다.
이 원리를 통해 측정하고자 하는 외부 자기장의 변화(ΔB(t))를 락인엠프 출력의 변화(ΔSLIA)를 통해 측정할 수 있다. 이때, 락인엠프 출력의 변화(ΔSLIA)는 스펙트럼의 제로크로싱(zero-crossing) 기울기(α)에 비례한다.
다이아몬드 질소-빈자리의 질소(14N)는 핵 스핀(I=1)을 가지며, 다이아몬드 질소-빈자리의 전자 스핀과 초미세 상호작용(Azz)을 한다. 두 스핀의 헤밀토니안(Hamiltonian,
Figure 112020080257110-pat00001
)은 다음 수학식 1과 같이 주어진다.
Figure 112020080257110-pat00002
여기서, Q는 질소(14N) 핵 스핀 사중극 공명 값으로 대략 5MHz이고, Azz는 대략 2.1MHz의 크기를 가진다.
도 7은 질소(14N) 핵 스핀까지 고려된 에너지 준위 다이어그램에서 각 스핀 상태들 간의 전이를 도시한 도면이다.
도 8은 질소(14N) 핵 스핀까지 고려한 경우의 ODMR 스펙트럼 및 락인엠프 출력의 일 예를 도시한 도면이다.
도 7에 도시된 바와 같이 두 스핀의 상태를 |ms, mI>로 기술할 경우 전체 9개의 상태가 존재하게 되며, 마이크로파를 통해서 6개의 스핀 전이를 유도할 수 있다. 자기장 방향으로 정렬된 다이아몬드 질소-빈자리의 ODMR에서는 D±ηB 주파수를 중심으로 Azz만큼 좌우 분리된 피크(peak)들이 추가되어 도 8에 도시된 바와 같이 나타날 수 있다. 따라서, 주파수 변조 기법으로 측정된 락인엠프 출력 역시 6개의 피크들을 가질 수 있다.
도 3에 도시된 바와 같이 주파수 변조 마이크로파와 락인엠프를 이용하면 외부 자기장 변화를 측정할 수 있다. 그런데, 도 5, 6 또는 8에 도시된 바와 같이 자기장이 다이아몬드 질소-빈자리에 인가되지 않은 경우의 스핀 전이 시의 공명 주파수, 즉 영자기장 분리 시의 공명 주파수(D)가 온도에 따라 변화할 수 있다는 것이다. 기존 연구 결과에 의하면 다이아몬드의 온도가 증가할 경우 공명 주파수(D)는 상온에서 대략 -74.2kHz/℃의 의존성을 가진다. 스핀 양자를 여기시키기 위하여 다이아몬드에 인가하는 532nm 레이저의 출력은 일부분이 흡수되어 열로 변환되는 과정을 거친다. 즉, 자기장 측정을 위해 사용되는 532nm 레이저가 다이아몬드의 온도를 지속적으로 증가하게 만들 수 있다. 또 측정 환경에 따라서, 다이아몬드의 온도가 시간에 따라 변화할 수도 있다. 따라서 일반적 상황에서 영자기장 분리 시의 공명 주파수(D)는 상수가 아닌 시간에 따라 변화하는 값(D(t))으로 고려되어야 하고, 이 경우 ΔSLIA(t)= ±α{D(t)+ ηΔB(t)}로 주어지게 된다. 이 식에 의하면 측정되는 락인엠프 출력의 변화가 외부 자기장에 의한 것인지 아니면 다이아몬드 온도 변화에 따른 영자기장 분리 공명 주파수(D)의 변화에 의한 것인지 구분할 수 없게 된다. 이러한 문제는 다이아몬드 질소-빈자리의 응용 목적인 정밀 자기장 측정 또는 정밀 온도 측정을 저해하는 요소로 작용할 수 있다.
따라서, 본 발명에서는 다이아몬드 질소-빈자리를 이용한 안정적인 정밀 자기장 측정 또는 온도 측정을 구현하기 위해 스핀 양자의 스핀 상태(ms=0)와 스핀 상태(ms=+1) 간 스핀 전이 및 스핀 상태(ms=0)와 스핀 상태(ms=-1) 간 스핀 전이를 동시에 여기하는 이중 주파수 마이크로파 구동 방법 및 장치를 제안한다.
이중 마이크로파 주파수를 이용하여 스핀 상태(ms=0)와 스핀 상태(ms=+1) 간 스핀 전이 및 스핀 상태(ms=0)와 스핀 상태(ms=-1) 간 스핀 전이를 동시에 유도할 경우, 온도 증가로 인해 발생하는 영자기장 분리 공명 주파수(D(t))의 변화에 의한 영향을 상쇄하거나 또는 주변에서 임의로 변화하는 자기장(B(t))의 변화에 의한 영향을 상쇄할 수 있다. 또한, 제로크로싱의 기울기를 2배로 증가시켜 측정 자기장 또는 측정 온도의 민감도를 2배 향상시킬 수 있다.
도 9 및 도 10은 다이아몬드 질소-빈자리에 이중 주파수 변조된 마이크로파를 인가하는 경우의 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 9에 도시된 바와 같이 스핀 상태(ms=0)와 스핀 상태(ms=-1) 간 스핀 전이 및 스핀 상태(ms=0)와 스핀 상태(ms=+1) 간 스핀 전이를 야기하는 주파수를 가지는 마이크로파 신호를 다이아몬드 질소-빈자리에 인가할 수 있다. 이때 마이크로파 신호는 기준 신호(910, 920)에 기초하여 주파수 변조될 수 있다. 이때, 자기장의 변화 측정을 위하여 제1 기준 신호(910)와 제2 기준 신호(920)는 위상이 180도 반전된 것일 수 있다.
외부 자기장의 변화(ΔB)와 영자기장 분리 공명 주파수의 변화(ΔD)가 동시에 발생하고 스핀 상태(ms=0)와 스핀 상태(ms=-1) 간 스핀 전이를 야기하는 주파수가 제1 기준 신호(910)에 기초하여 주파수 변조된 마이크로파 신호와 스핀 상태(ms=0)와 스핀 상태(ms=-1) 간 스핀 전이를 야기하는 주파수가 제2 기준 신호(920)에 기초하여 주파수 변조된 마이크로파 신호가 동시에 인가될 수 있다. 일 실시 예에 따라, 제2 기준 신호(920)가 제1 기준 신호(910)와 동일한 주파수를 가지면서 위상이 180도 반전되어 있는 경우, 제1 기준 신호(910)에 기초하여 주파수 변조된 마이크로파 신호에 기초하여 획득되는 락인엠프 신호 변화(ΔSLIA,1)는 ΔSLIA,1 = -α(ΔD- ηΔB)로 주어지게 되고, 제2 기준 신호(920)에 기초하여 주파수 변조된 마이크로파 신호에 기초하여 획득되는 락인엠프 신호 변화(ΔSLIA,2)는 ΔSLIA,2 = +α(ΔD+ ηΔB)로 주어지게 된다. 따라서, 전체 락인엠프 출력 신호의 변화(ΔSLIA)는 ΔSLIA = ΔSLIA,1 + ΔSLIA,2 = 2αηΔB가 되어 ΔD의 영향이 사라짐과 동시에 자기장의 변화를 측정할 수 있는 신호의 크기는 2배로 증가된다. 도 10에 도시된 질소(14N)의 핵스핀 전이까지 고려한 경우에도 상술한 동일한 결과를 획득할 수 있다.
다른 일 실시 예에 따라, 제2 기준 신호(920)가 제1 기준 신호(910)와 동일한 신호, 즉 제1 기준 신호(910)와 제2 기준 신호(920)가 동일한 주파수와 위상을 가지는 경우, 제1 기준 신호(910)에 기초하여 주파수 변조된 마이크로파 신호에 기초하여 획득되는 락인엠프 신호 변화(ΔSLIA,1)는 ΔSLIA,1 = -α(ΔD- ηΔB)로 주어지게 되고, 제2 기준 신호(920)에 기초하여 주파수 변조된 마이크로파 신호에 기초하여 획득되는 락인엠프 신호 변화(ΔSLIA,2)는 ΔSLIA,2 = -α(ΔD+ ηΔB)로 주어지게 된다. 따라서, 전체 락인엠프 출력 신호의 변화(ΔSLIA)는 ΔSLIA = ΔSLIA,1 + ΔSLIA,2 = -2αΔD가 되어 ΔB의 영향이 사라짐과 동시에 온도의 변화를 측정할 수 있는 신호의 크기는 2배로 증가된다.
상술한 바와 같이, 제1 기준 신호(910)와 제2 기준 신호(920)의 위상을 동일하게 하는 경우에는 주변 자기장의 변화의 영향을 상쇄하면서 온도 변화를 정밀하게 측정할 수 있고, 제1 기준 신호(910)와 제2 기준 신호(920)의 위상을 서로 180도가 되도록 하는 경우에는 온도 변화의 영향을 상쇄하면서 자기장의 변화를 정밀하게 측정할 수 있다.
위의 측정 결과에서 제로크로싱 기울기(α)는 인가하는 마이크로파 신호의 전력(PMW), 주파수 변조에 사용되는 기준 신호의 진폭(도 3에 도시된 Fdev)에 의존한다. 그리고 상술한 내용에 기초할 때, 락인엠프 출력 신호의 변화(ΔSLIA)는 스핀 상태(ms=0)와 스핀 상태(ms=-1) 간 스핀 전이와 스핀 상태(ms=0)와 스핀 상태(ms=+1) 간 스핀 전이의 제로크로싱 기울기가 동일하게 만들었을 때 가장 정확할 수 있다. 따라서, 2개의 스핀 전이를 야기하기 위해 인가되는 마이크로파의 전력(PMW)과 변조를 위한 기준 신호의 진폭(Fdev)을 조절하여 해당 스핀 전이에서의 제로크로싱 기울기(α)를 동일하게 만들 필요가 있다.
상술한 방법을 확장하면 온도와 자기장의 동시 실시간 측정이 가능할 수 있다. 제1 기준 신호(910)의 주파수(F1)와 제2 기준 신호(920)의 주파수(F2)가 다르다면, DNV 센서 신호는 F1과 F2 2개의 주파수 성분을 갖게 된다. 이를 분기하여 2개 독립된 락인엠프(LIA1, LIA2)의 입력 신호로 사용하고, LIA1에는 제1 기준 신호(910), LIA2는 제2 기준 신호(920)가 연결되도록 한다. 이 방법을 적용하면, LIA1을 통해 ΔSLIA,1을, LIA2를 통해 ΔSLIA,2를 독립적으로 측정할 수 있고, 데이터 수집 장치에서 측정된 신호의 합(ΔSLIA,1+ΔSLIA,2)과 차이(ΔSLIA,1-ΔSLIA,2)를 구하면, 자기장과 온도의 실시간 동시 측정을 할 수 있다.
상술한 이중 주파수 구동 방법을 사용하였을 때, CPT(coherent population trapping) 효과가 발생될 경우 제로크로싱 기울기가 현저하게 감소하여 자기장 감도가 오히려 더 낮아질 수 있다.
도 11은 CPT 효과가 발생하는 원리를 도시한 도면이다.
도 11을 참조하면, 두 개의 마이크로파가 동일한 |0, 0> 상태에 작용하여 V 형태의 스핀 전이 구조를 만들면, |-1, 0>과 |+1, 0> 상태 간에 결맞음 현상이 발생하여 CPT 효과를 발생시킬 수 있다. CPT 효과가 발생할 때는 마이크로파를 가해주더라도 스핀 상태들 간의 전이가 상당히 억제된다는 것이 알려져 있다.
도 12는 CPT 효과 발생에 따른 제로크로싱 기울기가 감소하는 예를 도시한 도면이다.
도 12를 참조하면, 도 8의 2b 피크에 해당하는 주파수의 주파수 변조된 마이크로파를 인가하면서 도 8의 1a, 1b, 1c의 변화를 측정하면, 1b 피크의 크기가 낮아지는 것을 알 수 있다. 2b 피크에 해당하는 주파수의 주파수 변조된 마이크로파 전력의 크기(P(MW2))를 키울수록 1b 피크의 크기는 더욱 낮아지는 것을 수 있다. 2b 피크에 해당하는 주파수의 주파수 변조된 마이크로파 전력의 크기를 키울수록 1b 피크의 크기는 낮아지면서 더 작은 제로크로싱 기울기를 갖게 된다. 즉, (1b, 2b) 스핀 전이 쌍에 이중 주파수 구동 기법을 적용하면, 락인엠프 출력 크기가 2배가 되는 것이 아니라 오히려 작아지는 결과를 얻게 된다.
도 11 및 도 12에 도시한 CPT 효과를 피하고 이중 주파수 구동의 목적을 달성하기 위해서는 도 12에 도시된 바와 같은 V 형태의 전이를 피하여야 한다.
도 13 및 도 14는 CPT 효과가 발생하지 않는 이중 구동 주파수 선택의 예를 도시한 도면이다.
도 13 및 도 14에 도시된 예처럼, 1a를 스핀 전이를 위한 하나의 주파수로 사용할 경우 그 대응 쌍은 2a 또는 2c가 되어야 한다. 도 13에서, |0, -1>과 |0, +1>이 중첩되어 있어 V 형태의 전이로 보이지만, 2a는 |0, -1>, 1a는 |0, +1> 상태에서 시작하기 때문에 서로 다른 상태에 작용하게 된다. 따라서 V 형태의 전이를 이루지 않는다. V 형태를 피하는 조합을 모두 모으면 (1a, 2a), (1a, 2b), (1b, 2a), (1b, 2c), (1c, 2b), (1c, 2c)의 6가지 경우가 가능하다. 따라서, CPT 효과없이 다이아몬드 질소-빈자리에서 이중 주파수 구동 방법을 사용하기 위해서는 위 6가지 조합 중 하나의 전이 쌍을 사용하여야 한다.
도 15는 다이아몬드 질소-빈자리 센서를 이용하여 자기장 및 온도를 측정하는 장치를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 15를 참조하면, 다이아몬드 질소-빈자리 센서를 이용하여 자기장 또는 온도를 측정하는 장치(100)는 다이아몬드 질소-빈자리 센서(140), 기준 신호 생성기(110), 제1 마이크로파 생성기(120), 제2 마이크로파 생성기(125), 전력 증폭기(power amplifier, PA)(130), 레이저 조사부(170), 영구자석(150), 제1 락인엠프(lock in amplifier, LIA)(190), 제2 락인엠프(191) 그리고 데이터 수집 및 제어부(195)를 포함할 수 있다. 추가적으로 상기 장치(100)는 기준 검출기(180), 차동 회로(185) 및 시험 코일(160)을 더 포함할 수 있다.
기준 신호 생성기(110)는 주파수 변조를 위하여 사용될 기준 신호를 생성할 수 있다. 일 실시 예에 따라, 기준 신호는 1KHz 내지 100KHz 사이의 주파수일 수 있다. 기준 신호 생성기(110)는 제1 마이크로파 생성기(120), 제2 마이크로파 생성기(125) 및 제1 락인엠프(190)와 제2 락인엠프(191)로 생성한 기준 신호를 전달할 수 있다. 이때, 장치(100)가 자기장을 측정하는 것으로 설정된 경우, 제1 마이크로파 생성기(120)로 전달되는 기준 신호와 제2 마이크로파 생성기(125)로 전달되는 기준 신호는 같은 주파수를 가지고 서로 위상이 180도 차이가 나도록 위상 반전이 되어 전달될 수 있다. 다른 일 실시 예에 따라, 장치(100)가 온도를 측정하는 것으로 설정된 경우, 제1 마이크로파 생성기(120)로 전달되는 기준 신호와 제2 마이크로파 생성기(125)로 전달되는 기준 신호는 같은 주파수를 가지며 동일상 위상을 가질 수 있다. 즉, 동일한 신호가 전달될 수 있다. 이때 제1 마이크로파 생성기(120)로 전달되는 기준 신호는 제1 락인엠프(190)에 또한 전달되어, 제1 락인엠프(190)에서 검출하고자 하는 기준 신호가 될 수 있다.
다른 일 실시 예에 따라, 장치(100)가 자기장과 온도를 동시에 측정하는 것으로 설정된 경우, 제1 마이크로파 생성기(120)로 전달되는 기준 신호와 제2 마이크로파 생성기(125)로 전달되는 기준 신호는 상이한 주파수를 가지게 된다. 이 때, 제1 마이크로파 생성기(120)로 전달되는 기준 신호는 제1 락인엠프(190)에 또한 전달되어, 제1 락인엠프(190)에서 검출하고자 하는 기준 신호가 될 수 있다. 제2 마이크로파 생성기(125)로 전달되는 기준 신호는 제2 락인엠프(191)에 또한 전달되어, 제2 락인엠프(191)에서 검출하고자 하는 기준 신호가 될 수 있다. 데이터 수집 및 제어부(195)는 제1 락인엠프 출력 신호와 제2 락인엠프 출력 신호의 합과 차이를 구하여 자기장과 온도의 변화를 동시에 정밀하게 측정할 수 있다.
제1 마이크로파 생성기(120) 및 제2 마이크로파 생성기(125)는 상술한 CPT 효과를 발생시키지 않는 6가지 스핀 전이 쌍 중에서 선택한 한 쌍의 스핀 전이를 야기하기 위한 2개의 마이크로파 신호를 생성할 수 있다. 예를 들면, 제1 마이크로파 생성기(120)는 도 7 또는 도 8의 1a의 스핀 전이를 야기하는 마이크로파 신호를 생성할 수 있고, 제2 마이크로파 생성기(125)는 도 7 또는 도 8의 2a 또는 2b의 스핀 전이를 야기하는 마이크로파 신호를 생성할 수 있다. 다른 실시 예에서, 제1 마이크로파 생성기(120)는 도 7 또는 도 8의 1b의 스핀 전이를 야기하는 마이크로파 신호를 생성할 수 있고, 제2 마이크로파 생성기(125)는 도 7 또는 도 8의 2a 또는 2c의 스핀 전이를 야기하는 마이크로파 신호를 생성할 수 있다. 이때, 제1 마이크로파 생성기(120) 및 제2 마이크로파 생성기(125)는 기준 신호 생성기(110)가 제공한 기준 신호에 기초하여 주파수 변조를 수행한 마이크로파 신호를 생성할 수 있다.
전력 증폭기(130)는 제1 마이크로파 생성기(120) 및 제2 마이크로파 생성기(125)에서 생성한 마이크로파 신호를 합친 후 증폭하여 다이아몬드 질소-빈자리 센서(140)에 입력할 수 있다.
레이저 조사부(170)는 스핀 양자가 기저 상태(210)에서 여기 상태(220)로 여기되도록 하는 레이저를 다이아몬드 질소-빈자리 센서(140)로 조사할 수 있다.
영구자석(150)은 다이아몬드 질소-빈자리 센서(140)에 일정한 정자기장을 가해줄 수 있다. 이 영구자석(150)에 의하여 인가되는 정자기장에 기초하여 제1 마이크로파 생성기(120) 및 제2 마이크로파 생성기(125)가 생성하는 마이크로파 신호의 정밀한 주파수가 결정될 수 있다.
다이아몬드 질소-빈자리 센서(140)의 스핀 양자는 제1 마이크로파 생성기(120) 및 제2 마이크로파 생성기(125)에서 생성되어 입력되는 마이크로파 신호에 의하여 2가지의 스핀 전이가 야기되고, 레이저 조사부(170)에 의하여 조사된 레이저에 의하여 여기 상태(220)로 여기되었다가 기저 상태(210)로 돌아오면서 형광을 발생할 수 있다.
도 16은 다이아몬드 질소-빈자리 센서(140)의 일 예를 도시한 도면이다.
도 16을 참조하면, 다이아몬드 질소-빈자리 센서(140)는 질소-빈자리 센터를 포함하는 다이아몬드(141)를 사용하고, 질소-빈자리 센터 내의 스핀 양자는 532nm 레이저(143)로 여기 후 발생되는 600nm 이상의 적색 형광을 발생시킬 수 있다. 다이아몬드(141)에서 발생하는 적색 형광은 반구렌즈(145), 타원 반사판(147) 및 광학 필터(149)에 의하여 수집되어 검출기(미도시)로 전달될 수 있다. 검출기의 출력은 차동 회로(185)로 전달될 수 있다. 다이아몬드(141) 아래에는 스핀 전이를 유도하는 마이크로파를 발생시키는 안테나(142)가 위치할 수 있다. 안테나(142)를 통해 제1 마이크로파 생성기(120) 및 제2 마이크로파 생성기(125)에서 생성한 마이크로파가 다이아몬드(141)로 인가될 수 잇다.
다시 도 12를 참조하면, 제1 락인엠프(190) 또는 제2 락인엠프(191)는 다이아몬드 질소-빈자리 센서(140)에서 발생한 형광을 입력 받아 기준 신호와 비교한 결과를 출력할 수 있다.
일 실시 예에 따라, 장치(100)는 제1 락인엠프(190) 및 제2 락인엠프(191)에서 레이저가 가지고 있는 노이즈를 상쇄하기 위하여 추가적으로 기준 검출기(180) 및 차동 회로(185)를 포함할 수 있다.
기준 검출기(180)는 다이아몬드 질소-빈자리 센서(140)로 입력되는 레이저의 전력을 측정하여 차동 회로(185)로 전달할 수 있다.
차동 회로(185)는 기준 검출기(180)로부터 오는 레이저 측정 신호와 다이아몬드 질소-빈자리 센서(140)의 출력 신호의 차이인 차동 신호만을 취득하는 CNR(common noise rejection) 기능을 수행하여 레이저에 의한 노이즈를 상쇄시킬 수 있다.
장치(100)는 추가적으로 장치의 자기장 감도 측정을 위해서 교정(calibration)된 시험 자기장을 가해주는 시험 코일(160)을 포함할 수 있다.
데이터 수집 및 제어부(195)는 장치(100)에 의한 자기장 측정 및/또는 온도 측정을 제어할 수 있다. 데이터 수집 및 제어부(195)는 장치(100)가 자기장을 측정할 것인지 아니면 온도를 측정할 것인지 아니면 자기장 및 온도를 측정할 것인지를 설정할 수 있다. 일 실시 예에 따라, 데이터 수집 및 제어부(195)는 운용자의 입력에 기초하여 자기장 측정 및/또는 온도 측정을 설정할 수 있다. 기준 신호 생성기(110)는 제어부(195)의 설정에 기초하여 자기장 측정을 위해 서로 위상이 반전된 기준 신호를 생성하거나 또는 온도 측정을 위해 서로 위상이 동일한 기준 신호를 생성하거나 또는 자기장 및 온도 측정을 위해 상이한 주파수를 가지는 기준 신호를 생성하도록 할 수 있다.
또한, 데이터 수집 및 제어부(195)는 제1 마이크로파 생성기(120) 및 제2 마이크로파 생성기(125)에서 생성할 마이크로파 주파수를 설정하여 제1 마이크로파 생성기(120) 및 제2 마이크로파 생성기(125)에 제공할 수 있다. 일 실시 예에 따라, 제어부(195)는 운용자의 입력에 기초하여 생성할 마이크로파 주파수를 설정하거나, 측정된 결과에 기초하여 사용 가능한 6개의 주파수 쌍 중에서 제로크로싱 기울기가 가장 유사한 한 쌍을 자동으로 선정하여 설정할 수 있다.
또한, 데이터 수집 및 제어부(195)는 기준 신호의 진폭(Fdev) 및 전력 증폭기(130)에 의해 결정되는 다이아몬드 질소-빈자리 센서(140)에 주입되는 마이크로파의 전력(PMW)을 설정할 수 있다. 기준 신호의 진폭(Fdev) 및 마이크로파의 전력(PMW)은 제로크로싱 기울기(α)에 영향을 미치기 때문에, 온도 변화의 상쇄 효과 또는 자기장 변화의 상쇄 효과를 극대화시키기 위해 2개의 스핀 전이에 대응하는 주파수에서의 제로크로싱 기울기(α)를 동일하게 만들어야 한다. 따라서, 제어부(195)는 2개의 스핀 전이에 대응하는 주파수에서의 제로크로싱 기울기(α)가 가능한한 동일하게 되도록 기준 신호의 진폭(Fdev) 및 마이크로파의 전력(PMW)을 설정할 수 있다. 또한, 일 실시 예에 따라, 데이터 수집 및 제어부(195)는 락인엠프 출력이 도 4의 형태가 되도록 기준 신호의 진폭(Fdev)을 결정할 수 있다. 기준 신호의 진폭(Fdev)이 작은 경우에는 도 3을 참조하면, 일정 주파수 범위에서 극대점과 극소점을 가질 수 있다. 따라서, 도 4의 락인엠프 출력의 극대점과 극소점이 일정한 범위에서 동일하게 나타날 수 있다. 따라서 제어부(195)는 반복 실험을 통하여 도 4에 도시된 락인엠프 출력 형상이 나올 수 있는 기준 신호의 진폭(Fdev)을 결정할 수 있다.
또한, 데이터 수집 및 제어부(195)는 제1 락인엠프(190) 및/또는 제2 락인엠프(191)로부터의 출력 데이터를 수집하고, 그 결과들을 이용하여 온도 변화 및/또는 자기장의 변화를 측정할 수 있다.
또한, 데이터 수집 및 제어부(195)는 다음 도 17에 기초하여 설명할 장치(100)의 자기장 측정 또는 온도 측정 방법의 전체적인 흐름을 제어할 수 있다.
다양한 실시 예들에 따르면, 다이아몬드 질소-빈자리(diamond nitrogen-vacancy center, DNV) 센서기반 측정장치는 다이아몬드 질소-빈자리 센서, 제1 기준 신호 및 제2 기준 신호를 생성하는 주파수 합성기, 상기 제1 기준 신호에 기초하여 주파수 변조되고 상기 다이아몬드 질소-빈자리 센서에서 제1 스핀 전이를 야기하는 제1 마이크로파를 생성하는 제1 마이크로파 생성기, 상기 제2 기준 신호에 기초하여 주파수 변조되고 상기 다이아몬드 질소-빈자리 센서에서 제2 스핀 전이를 야기하는 제2 마이크로파를 생성하는 제2 마이크로파 생성기, 상기 다이아몬드 질소-빈자리 센서에 스핀 양자를 여기시키기 위한 레이저를 인가하는 레이저 조사부, 상기 제1 마이크로파 및 상기 제2 마이크로파를 합친 후 증폭하여 상기 다이아몬드 질소-빈자리 센서로 인가하는 전력 증폭기, 상기 다이아몬드 질소-빈자리 센서에서 출력되는 형광 신호를 검출하는 검출기, 상기 레이저의 전력을 측정하는 기준 검출기, 상기 검출기의 출력 신호와 상기 기준 검출기의 출력 신호 간의 차이를 출력하는 차동 회로, 상기 차동 회로 출력과 상기 제1 기준 신호를 비교한 결과를 출력하는 제1 락인엠프(lock in amplifier) 및 상기 차동 회로 출력과 상기 제2 기준 신호를 비교한 결과를 출력하는 제2 락인엠프를 포함할 수 있다.
다양한 실시 예들에 따르면, 상기 주파수 합성기는 자기장을 측정하고자 하는 경우, 상기 제1 기준 신호와 상기 제2 기준 신호가 위상이 180도 반전되도록 생성하고, 온도를 측정하고자 하는 경우, 상기 제1 기준 신호와 상기 제2 기준 신호가 동일한 위상을 가지도록 생성하고, 자기장과 온도를 동시에 측정하고자 하는 경우, 상기 제1 기준 신호와 상기 제2 기준 신호의 주파수가 상이하도록 생성할 수 있다.
다양한 실시 예들에 따르면, 상기 다이아몬드 질소-빈자리 센서기반 측정장치는 상기 다이아몬드 질소-빈자리 센서에 일정한 정자기장을 인가하는 영구자석을 더 포함할 수 있다.
다양한 실시 예들에 따르면, 상기 다이아몬드 질소-빈자리 센서기반 측정장치는 상기 측정 장치의 자기장 감도 측정을 위해서 교정된 시험 자기장을 가해주는 시험 코일을 더 포함할 수 있다.
다양한 실시 예들에 따르면, 상기 다이아몬드 질소-빈자리 센서기반 측정장치는 데이터 수집 및 제어부를 더 포함하고, 상기 데이터 수집 및 제어부는 측정을 위한 파라미터를 설정하고, 상기 제1 락인엠프 및/또는 상기 제2 락인엠프의 출력에 기초하여 자기장 및/또는 온도를 추정하고, 상기 파라미터는 자기장을 측정할 것인지, 온도를 측정할 것인지, 또는 자기장과 온도를 동시에 측정할 것인지를 나타내는 제1 파라미터, 상기 제1 기준 신호 및 상기 제2 기준 신호의 진폭, 위상 및 주파수를 나타내는 파라미터, 상기 제1 마이크로파의 주파수 및 상기 제2 마이크파의 주파수를 나타내는 파라미터를 포함할 수 있다.
다양한 실시 예들에 따르면, 상기 데이터 수집 및 제어부는 자기장만을 측정하는 경우 또는 온도만을 측정하는 경우로 설정한 경우, 상기 제1 락인엠프 또는 상기 제2 락인엠프의 출력에 기초하여 자기장 또는 온도를 추정하고, 자기장과 온도를 동시에 측정하는 경우로 설정한 경우, 상기 제1 락인엠프의 출력과 상기 제2 락인엠프의 출력을 가산한 결과와 감산한 결과에 기초하여 자기장 및 온도를 추정할 수 있다.
다양한 실시 예들에 따르면, 상기 제1 마이크로파 및 상기 제2 마이크로파의 주파수는 상기 다이아몬드 질소-빈자리 센서에서 발생할 수 있는 스핀 전이에 대응하는 주파수들 중에서 CPT(coherent population trapping) 효과를 발생하지 않는 주파수 쌍일 수 있다.
도 17은 다이아몬드 질소-빈자리 센서기반 측정장치(100)의 자기장 측정 방법 또는 온도 측정 방법을 도시한 흐름도이다.
도 17을 참조하면, 동작 S100에서, 장치(100)는 초기 교정을 수행할 수 있다. 장치(100)는 초기 교정 시에 영구자석(150)에 의해 인가되는 기준 자기장 외의 자기장이 없는 챔버 내에서의 시험을 통해 장치(100)의 측정 동작을 위한 기본 파라미터를 획득하여 저장할 수 있다. 예를 들면, 장치(100)는 초기 교정을 통해 도 8에 도시된 것과 같은 1a 내지 1c 및 2a 내지 2c의 스핀 전이에 대응하는 주파수를 획득할 수 있다.
또한, 장치(100)는 초기 교정 시에 미리 설정된 기준 온도들(예: 22, 23도) 또는 온도 변화 범위(예: 22도에서 23도 사이)에서 다이아몬드 질소-빈자리 센서로 측정된 온도 신호를 비교하여 도 18에 도시된 것과 같이 실제 온도 변화와 다이아몬드 질소-빈자리 센서의 락인엠프 결과 신호 사이의 선형 관계를 획득하고, 이를 이용하여 실제 온도 측정값을 구하기 위한 수식을 설정할 수 있다.
또한, 장치(100)는 DNV 센서(140)에 인가된 자기장 및 온도를 알고 있으므로 파라미터 η를 계산하여 획득할 수 있다. 또한, 장치(100)는 초기 교정 시에 도 5 또는 도 6에 도시된 락인엠프 출력에 기초하여 제로크로싱 기울기(α)를 획득할 수 있다. 특히, 장치(100)는 이중 주파수 각각에 대응하는 제로크로싱 기울기(α)가 가능한한 동일하게 되도록 기준 주파수의 진폭(Fdev) 및 이중 주파수 마이크로파의 전력(PMW)을 초기 교정 시에 결정할 수 있다.
장치(100)는 초기 교정을 최초 한번만 수행할 수 있고 또는 매 측정 전에 수행할 수도 있으며, 또는 교정 주기에 맞추어 주기적으로 수행할 수도 있다.
동작 S200에서, 장치(100)는 측정 파라미터를 설정할 수 있다. 장치(100)는 자기장을 측정할 것인지, 온도를 측정할 것인지, 아니면 자기장과 온도를 동시에 측정할 것인지를 설정할 수 있다. 또한, 장치(100)는 CPT 효과없이 스핀 전이를 야기하는 6개의 주파수 쌍 중에서 어느 것을 사용하는 지를 설정할 수 있다. 예를 들면, 장치(100)는 도 8에 도시된 (1a, 2a), (1a, 2b), (1b, 2a), (1b, 2c), (1c, 2b), (1c, 2c)의 6개의 주파수 쌍 중에서 하나로 사용할 이중 주파수로 설정할 수 있다. 또한, 장치(100)는 기준 신호의 진폭(Fdev) 및 이중 주파수 마이크로파의 전력(PMW)을 설정할 수 있다. 이 값들은 동작 S100에서 결정된 초기 교정 시의 값을 그대로 사용할 수도 있다. 일 실시 예에 따라, 장치(100)는 사용자의 입력에 기초하여 상술한 측정 파라미터를 설정할 수 있다.
동작 S300에서, 장치(100)는 DNV 센서(140)에 기준 신호에 기초하여 변조된 이중 주파수 마이크로파 및 여기 레이저를 인가할 수 있다. 장치(100)는 동작 S200에서 설정된 주파수 쌍의 2개의 주파수를 가진 마이크로파를 생성하여 DNV 센서(140)로 인가할 수 있다. 이때, 장치(100)는 기준 신호에 기초하여 상기 2개의 주파수를 변조시킬 수 있다. 또한, 자기장의 변화를 측정하는 경우, 장치(100)는 상기 2개의 주파수 중의 하나는 기준 신호에 기초하여 변조하고 나머지 하나는 180도 위상 반전된 기준 신호에 기초하여 변조할 수 있다. 반면에, 온도의 변화를 측정하는 경우, 장치(100)는 상기 2개의 주파수를 모두 동일한 기준 신호에 기초하여 변조할 수 있다. 만약 자기장과 온도를 동시에 측정할 경우, 상기 2개의 주파수를 서로 다른 주파수를 가지는 기준 신호에 기초하여 주파수 변조할 수 있다.
또한, 장치(100)는 스핀 양자를 기저 상태에서 여기 상태로 여기시키기 위한 532nm의 레이저를 DNV 센서(140)에 인가할 수 있다.
동작 S400에서, 장치(100)는 제1 락인엠프(190) 및/또는 제2 락인엠프(191)를 이용하여 DNV 센서(140)에서 출력되는 형광 신호 중에서 기준 신호와 동일한 주파수 성분만을 추출하여 출력할 수 있다. 일 실시 예에 따라, 장치(100)는 DNV 센서(140)로 인가되는 레이저의 전력을 측정하여, DNV 센서(140)에서 출력되는 형광과 레이저의 전력 간의 차동 신호를 획득하고, 획득한 차동 신호를 제1 락인엠프(190) 및/또는 제2 락인엠프(191) 입력으로 사용할 수 있다. 이 경우 레이저 내에 포함되어 있는 노이즈 성분을 제거할 수 있어 측정의 정확도를 높일 수 있다. 만약 자기장과 온도를 동시에 측정한 경우, 2개의 주파수가 서로 다른 주파수를 가지는 기준 신호에 기초하여 주파수 변조되었기 때문에 제1 락인엠프(190)는 제1 기준 신호와 동일한 주파수 성분을 추출하여 출력할 수 있고, 제2 락인엠프(191)는 제2 기준 신호와 동일한 주파수 성분을 추출하여 출력할 수 있다.
동작 S500에서, 장치(100)는 제1 락인엠프(190) 및/또는 제2 락인엠프(191) 출력에 기반하여 자기장 및/또는 온도 변화를 추정할 수 있다. DNV 센서(140)에 이중 주파수를 인가함에 따라. 제1 락인엠프(190) 또는 제2 락인엠프(191) 출력은 자기장 또는 온도만의 변화에 따른 결과를 포함할 수 있다. 즉, 이중 주파수가 동일한 주파수를 가지면서 위상이 반전된 기준 신호에 기초하여 변조된 경우, 제1 락인엠프(190) 또는 제2 락인엠프(191)의 출력 변화(ΔSLIA)는 ΔSLIA = 2αηΔB가 되어 온도 변화의 영향이 사라짐과 동시에 자기장의 변화를 측정할 수 있는 신호의 크기는 2배로 증가된다. 따라서, 자기장의 변화(ΔB)는 ΔB=ΔSLIA/2αη 로 추정할 수 있다.
다른 일 실시 예에 따라, 이중 주파수가 동일한 위상을 가지는 기준 신호에 기초하여 변조된 경우, 제1 락인엠프(190) 또는 제2 락인엠프(191) 출력 변화(ΔSLIA)는 ΔSLIA = -2αΔD가 되어 자기장 변화의 영향이 사라짐과 동시에 온도의 변화를 측정할 수 있는 신호의 크기는 2배로 증가된다. 따라서, 온도의 변화(ΔT)는 ΔT = ΔSLIA/(-2α*λ) 로 추정할 수 있다. 여기서 λ = |ΔD /ΔΥ|로 Ｄ의 온도　의존성　상수이다
다른 일 실시 예에 따라, 자기장과 온도를 동시에 측정하기 위하여, 이중 주파수가 서로 다른 주파수를 가지는 기준 신호에 기초하여 각각 변조된 경우, 제1 락인엠프(190)의 출력 변화(ΔSLIA,1)와 제2 락인엠프(191)의 출력 변화(ΔSLIA,2)를 획득하고 두 출력 변화를 가산하거나 또는 감산으로써 자기장 변화와 온도 변화를 동시에 추정할 수 있다.
도 19는 본 발명에서 제안하는 다이아몬드 질소-빈자리 센서를 이용하여 자기장 및 온도를 측정하는 장치에 의해 동시에 측정된 자기장 변화 및 온도 변화의 일 예를 도시한 도면이다.
도 19를 참조하면, 본 발명에서 제안하는 다이아몬드 질소-빈자리 센서를 이용하여 자기장 및 온도를 측정하는 장치가 온도 변화 및 자기장 변화를 동시에 측정할 수 있음을 알 수 있으며, 특히 시간 구간(1910)은 시험을 위하여 급격한 자기장의 변화를 인가한 것의 결과를 도시한 것으로, 해당 결과는 급격한 자기장의 변화에도 본 발명에서 제안하는 다이아몬드 질소-빈자리 센서를 이용하여 자기장 및 온도를 측정하는 장치가 자기장의 변화뿐만 아니라 온도의 변화도 정밀하게 측정할 수 있음을 보이고 있다.
다양한 실시 예들에 따르면, 다이아몬드 질소-빈자리(diamond nitrogen-vacancy center, DNV) 센서기반 측정방법은 측정을 위한 파라미터를 설정하는 동작, 제1 기준 신호 및 제2 기준 신호를 생성하는 동작, 상기 다이아몬드 질소-빈자리 센서에 상기 제1 기준 신호에 기초하여 주파수 변조되고 제1 스핀 전이를 야기하는 제1 마이크로파 및 상기 제2 기준 신호에 기초하여 주파수 변조되고 제2 스핀 전이를 야기하는 제2 마이크로파를 인가하는 동작, 상기 다이아몬드 질소-빈자리 센서에 스핀 양자를 여기시키기 위한 레이저를 인가하는 동작, 상기 다이아몬드 질소-빈자리 센서로부터 출력되는 형광 신호와 상기 레이저의 출력 신호의 차이를 나타내는 차동 신호를 출력하는 동작, 상기 차동 신호와 상기 제1 기준 신호를 비교한 제1 결과를 출력하는 동작 및 상기 차동 신호와 상기 제2 기준 신호를 비교한 제2 결과를 출력하는 동작 및 상기 제1 결과 및/또는 상기 제2 결과에 기초하여 자기장 및/또는 온도 변화를 측정하는 동작을 포함할 수 있다.
다양한 실시 예들에 따르면, 상기 제1 기준 신호 및 제2 기준 신호를 생성하는 동작은 자기장을 측정하고자 하는 경우, 상기 제1 기준 신호와 상기 제2 기준 신호가 위상이 180도 반전되도록 생성하는 동작, 온도를 측정하고자 하는 경우, 상기 제1 기준 신호와 상기 제2 기준 신호가 동일한 위상을 가지도록 생성하는 동작 및 자기장과 온도를 동시에 측정하고자 하는 경우, 상기 제1 기준 신호와 상기 제2 기준 신호의 주파수가 상이하도록 생성하는 동작을 포함할 수 있다.
다양한 실시 예들에 따르면, 상기 다이아몬드 질소-빈자리 센서기반 측정방법은 상기 다이아몬드 질소-빈자리 센서에 일정한 정자기장을 인가하는 동작을 더 포함할 수 있다.
다양한 실시 예들에 따르면, 상기 파라미터는 자기장을 측정할 것인지, 온도를 측정할 것인지 또는 자기장과 온도를 동시에 측정할 것인지를 나타내는 제1 파라미터, 상기 제1 기준 신호 및 상기 제2 기준 신호의 진폭, 위상 및 주파수를 나타내는 파라미터, 상기 제1 마이크로파의 주파수 및 상기 제2 마이크파의 주파수를 나타내는 파라미터를 포함할 수 있다.
다양한 실시 예들에 따르면, 상기 제1 결과 및/또는 상기 제2 결과에 기초하여 자기장 및/또는 온도 변화를 측정하는 동작은 상기 제1 파라미터가 온도를 측정하는 것 또는 자기장을 측정하는 것으로 설정된 경우, 상기 제1 결과 또는 상기 제2 결과에 기초하여 상기 자기장 변화 또는 온도 변화를 측정하는 동작 및 상기 제1 파라미터가 자기장과 온도를 동시에 측정하는 것으로 설정된 경우, 상기 제1 결과와 상기 제2 결과를 가산한 값과 감산한 값에 기초하여 자기장 변화 및 온도 변화를 측정하는 동작을 포함할 수 있다.
다양한 실시 예들에 따르면, 상기 제1 마이크로파 및 상기 제2 마이크로파의 주파수는 상기 다이아몬드 질소-빈자리 센서에서 발생할 수 있는 스핀 전이에 대응하는 주파수들 중에서 CPT(coherent population trapping) 효과를 발생하지 않는 주파수 쌍일 수 있다.
다양한 실시 예들에 따르면, 상기 다이아몬드 질소-빈자리 센서기반 측정방법은 다이아몬드 질소-빈자리 센서기반 측정 장치의 초기 교정을 수행하는 동작을 더 포함할 수 있다.
다양한 실시 예들에 따르면, 상기 초기 교정을 수행하는 동작은 미리 설정된 기준 온도 및 기준 자기장에서 상기 다이아몬드 질소-빈자리 센서의 스핀 전이를 야기하는 주파수 정보를 획득하는 동작, 상기 제1 기준 신호 및 상기 제2 기준 신호의 진폭을 결정하는 동작, 상기 다이아몬드 질소-빈자리 센서에 인가되는 상기 제1 마이크로파 및 상기 제2 마이크로파의 전력을 결정하는 동작을 포함할 수 있다.
본 발명에서 제안하는 방법 및 장치들은 상술한 바와 같이 다이아몬드 질소-빈자리 센서의 스핀 전이 주파수에 영향을 미치는 온도 변화 및 자기장 변화 중 하나의 영향을 상쇄시킴으로써 나머지 하나의 변화를 좀 더 정밀하게 측정할 수 있도록 할 수 있다.

Claims (15)

  1. 다이아몬드 질소-빈자리(diamond nitrogen-vacancy center, DNV) 센서기반 측정장치에 있어서,
    다이아몬드 질소-빈자리 센서;
    제1 기준 신호 및 제2 기준 신호를 생성하는 주파수 합성기;
    상기 제1 기준 신호에 기초하여 주파수 변조되고 상기 다이아몬드 질소-빈자리 센서에서 제1 스핀 전이를 야기하는 제1 마이크로파를 생성하는 제1 마이크로파 생성기;
    상기 제2 기준 신호에 기초하여 주파수 변조되고 상기 다이아몬드 질소-빈자리 센서에서 제2 스핀 전이를 야기하는 제2 마이크로파를 생성하는 제2 마이크로파 생성기;
    상기 다이아몬드 질소-빈자리 센서에 스핀 양자를 여기시키기 위한 레이저를 인가하는 레이저 조사부;
    상기 제1 마이크로파 및 상기 제2 마이크로파를 합친 후 증폭하여 상기 다이아몬드 질소-빈자리 센서로 인가하는 전력 증폭기;
    상기 다이아몬드 질소-빈자리 센서에서 출력되는 형광 신호를 검출하는 검출기;
    상기 레이저의 전력을 측정하는 기준 검출기;
    상기 검출기의 출력 신호와 상기 기준 검출기의 출력 신호 간의 차이를 출력하는 차동 회로;
    상기 차동 회로 출력과 상기 제1 기준 신호를 비교한 결과를 출력하는 제1 락인엠프(lock in amplifier); 및
    상기 차동 회로 출력과 상기 제2 기준 신호를 비교한 결과를 출력하는 제2 락인엠프를 포함하고,
    상기 제1 마이크로파 및 상기 제2 마이크로파의 주파수는 상기 다이아몬드 질소-빈자리 센서에서 발생할 수 있는 스핀 전이에 대응하는 주파수들 중에서 CPT(coherent population trapping) 효과를 발생하지 않는 주파수 쌍인, 측정 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 주파수 합성기는,
    자기장을 측정하고자 하는 경우, 상기 제1 기준 신호와 상기 제2 기준 신호가 위상이 180도 반전되도록 생성하고,
    온도를 측정하고자 하는 경우, 상기 제1 기준 신호와 상기 제2 기준 신호가 동일한 위상을 가지도록 생성하고,
    자기장과 온도를 동시에 측정하고자 하는 경우, 상기 제1 기준 신호와 상기 제2 기준 신호의 주파수가 상이하도록 생성하는, 측정 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 다이아몬드 질소-빈자리 센서에 일정한 정자기장을 인가하는 영구자석을 더 포함하는, 측정 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 측정 장치의 자기장 감도 측정을 위해서 교정된 시험 자기장을 가해주는 시험 코일을 더 포함하는, 측정 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    데이터 수집 및 제어부를 더 포함하고,
    상기 데이터 수집 및 제어부는 측정을 위한 파라미터를 설정하고, 상기 제1 락인엠프 및/또는 상기 제2 락인엠프의 출력에 기초하여 자기장 및/또는 온도를 추정하고,
    상기 파라미터는 자기장을 측정할 것인지, 온도를 측정할 것인지 또는 자기장과 온도를 동시에 측정할 것인지를 나타내는 제1 파라미터, 상기 제1 기준 신호 및 상기 제2 기준 신호의 진폭, 위상 및 주파수를 나타내는 파라미터, 상기 제1 마이크로파의 주파수 및 상기 제2 마이크로파의 주파수를 나타내는 파라미터를 포함하는, 측정 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 데이터 수집 및 제어부는,
    자기장만을 측정하는 경우 또는 온도만을 측정하는 경우로 설정한 경우, 상기 제1 락인엠프 또는 상기 제2 락인엠프의 출력에 기초하여 자기장 또는 온도를 추정하고,
    자기장과 온도를 동시에 측정하는 경우로 설정한 경우, 상기 제1 락인엠프의 출력과 상기 제2 락인엠프의 출력을 가산한 결과와 감산한 결과에 기초하여 자기장 및 온도를 추정하는, 측정 장치.
  7. 삭제
  8. 다이아몬드 질소-빈자리(diamond nitrogen-vacancy center, DNV) 센서 기반 측정방법에 있어서,
    측정을 위한 파라미터를 설정하는 동작;
    제1 기준 신호 및 제2 기준 신호를 생성하는 동작;
    상기 다이아몬드 질소-빈자리 센서에 상기 제1 기준 신호에 기초하여 주파수 변조되고 제1 스핀 전이를 야기하는 제1 마이크로파 및 상기 제2 기준 신호에 기초하여 주파수 변조되고 제2 스핀 전이를 야기하는 제2 마이크로파를 인가하는 동작;
    상기 다이아몬드 질소-빈자리 센서에 스핀 양자를 여기시키기 위한 레이저를 인가하는 동작;
    상기 다이아몬드 질소-빈자리 센서로부터 출력되는 형광 신호와 상기 레이저의 출력 신호의 차이를 나타내는 차동 신호를 출력하는 동작;
    상기 차동 신호와 상기 제1 기준 신호를 비교한 제1 결과를 출력하는 동작;
    상기 차동 신호와 상기 제2 기준 신호를 비교한 제2 결과를 출력하는 동작; 및
    상기 제1 결과 및/또는 상기 제2 결과에 기초하여 자기장 및/또는 온도 변화를 측정하는 동작을 포함하고,
    상기 제1 마이크로파 및 상기 제2 마이크로파의 주파수는 상기 다이아몬드 질소-빈자리 센서에서 발생할 수 있는 스핀 전이에 대응하는 주파수들 중에서 CPT(coherent population trapping) 효과를 발생하지 않는 주파수 쌍인, DNV 센서기반 측정 방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 제1 기준 신호 및 제2 기준 신호를 생성하는 동작은,
    자기장을 측정하고자 하는 경우, 상기 제1 기준 신호와 상기 제2 기준 신호가 위상이 180도 반전되도록 생성하는 동작;
    온도를 측정하고자 하는 경우, 상기 제1 기준 신호와 상기 제2 기준 신호가 동일한 위상을 가지도록 생성하는 동작; 및
    자기장과 온도를 동시에 측정하고자 하는 경우, 상기 제1 기준 신호와 상기 제2 기준 신호의 주파수가 상이하도록 생성하는 동작을 포함하는, DNV 센서기반 측정 방법.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 다이아몬드 질소-빈자리 센서에 일정한 정자기장을 인가하는 동작을 더 포함하는, DNV 센서기반 측정 방법.
  11. 제8항에 있어서,
    상기 파라미터는 자기장을 측정할 것인지, 온도를 측정할 것인지 또는 자기장과 온도를 동시에 측정할 것인지를 나타내는 제1 파라미터, 상기 제1 기준 신호 및 상기 제2 기준 신호의 진폭, 위상 및 주파수를 나타내는 파라미터, 상기 제1 마이크로파의 주파수 및 상기 제2 마이크로파의 주파수를 나타내는 파라미터를 포함하는, DNV 센서기반 측정 방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 제1 결과 및/또는 상기 제2 결과에 기초하여 자기장 및/또는 온도 변화를 측정하는 동작은,
    상기 제1 파라미터가 온도를 측정하는 것 또는 자기장을 측정하는 것으로 설정된 경우, 상기 제1 결과 또는 상기 제2 결과에 기초하여 상기 자기장 변화 또는 온도 변화를 측정하는 동작; 및
    상기 제1 파라미터가 자기장과 온도를 동시에 측정하는 것으로 설정된 경우, 상기 제1 결과와 상기 제2 결과를 가산한 값과 감산한 값에 기초하여 자기장 및 온도 변화를 측정하는 동작을 포함하는, DNV 센서기반 측정 방법.
  13. 삭제
  14. 제8항에 있어서,
    다이아몬드 질소-빈자리 센서기반 측정 장치의 초기 교정을 수행하는 동작을 더 포함하는, DNV 센서기반 측정 방법.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 초기 교정을 수행하는 동작은,
    미리 설정된 기준 온도 및 기준 자기장에서 상기 다이아몬드 질소-빈자리 센서의 스핀 전이를 야기하는 주파수 정보를 획득하는 동작;
    상기 제1 기준 신호 및 상기 제2 기준 신호의 진폭을 결정하는 동작;
    상기 다이아몬드 질소-빈자리 센서에 인가되는 상기 제1 마이크로파 및 상기 제2 마이크로파의 전력을 결정하는 동작을 포함하는, DNV 센서기반 측정 방법.
KR1020200095508A 2020-07-30 2020-07-30 다이아몬드 질소-빈자리 센서를 이용한 자기장 및 온도 측정 장치 및 방법 KR102378923B1 (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020200095508A KR102378923B1 (ko) 2020-07-30 2020-07-30 다이아몬드 질소-빈자리 센서를 이용한 자기장 및 온도 측정 장치 및 방법

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020200095508A KR102378923B1 (ko) 2020-07-30 2020-07-30 다이아몬드 질소-빈자리 센서를 이용한 자기장 및 온도 측정 장치 및 방법

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20220015238A KR20220015238A (ko) 2022-02-08
KR102378923B1 true KR102378923B1 (ko) 2022-03-28

Family

ID=80252393

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020200095508A KR102378923B1 (ko) 2020-07-30 2020-07-30 다이아몬드 질소-빈자리 센서를 이용한 자기장 및 온도 측정 장치 및 방법

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR102378923B1 (ko)

Families Citing this family (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2024177168A1 (ko) * 2023-02-21 2024-08-29 엘지전자 주식회사 다이아몬드 질소-공공 센서 기반 자기 센싱 장치
DE102023201795A1 (de) * 2023-02-28 2024-08-29 Robert Bosch Gesellschaft mit beschränkter Haftung Sensoreinheit
WO2025014090A1 (ko) * 2023-07-13 2025-01-16 엘지전자 주식회사 양자 센서 시스템
KR102759056B1 (ko) * 2024-09-03 2025-01-23 주식회사 에이루트 5mA형 미세전류광자센싱 NV양자센서를 이용한 미세전류광자센싱 검출장치 및 방법

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2003110368A (ja) * 2001-09-26 2003-04-11 Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> 受光回路
US20150001422A1 (en) 2013-06-28 2015-01-01 Massachusetts Institute Of Technology Wide-field imaging using nitrogen vacancies
US20170077665A1 (en) * 2015-09-10 2017-03-16 The Chinese University Of Hong Kong Diamond maser and microwave amplifier
US20190317173A1 (en) 2016-10-20 2019-10-17 Quantum Diamond Technologies Inc. Methods and apparatus for magnetic particle analysis using diamond magnetic imaging
JP2020063960A (ja) 2018-10-16 2020-04-23 国立大学法人東京工業大学 磁気計測装置

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101936205B1 (ko) * 2017-03-13 2019-01-08 성균관대학교 산학협력단 다이아몬드 질소 공공 결함을 이용한 온도 측정 장치 및 방법

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2003110368A (ja) * 2001-09-26 2003-04-11 Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> 受光回路
US20150001422A1 (en) 2013-06-28 2015-01-01 Massachusetts Institute Of Technology Wide-field imaging using nitrogen vacancies
US20170077665A1 (en) * 2015-09-10 2017-03-16 The Chinese University Of Hong Kong Diamond maser and microwave amplifier
US20190317173A1 (en) 2016-10-20 2019-10-17 Quantum Diamond Technologies Inc. Methods and apparatus for magnetic particle analysis using diamond magnetic imaging
JP2020063960A (ja) 2018-10-16 2020-04-23 国立大学法人東京工業大学 磁気計測装置

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Adam M. Wojciechowski 등. Precision temperature sensing in the presence of magnetic field noise and vice-versa using nitrogen-vacancy centers in diamond, Appl. Phys. Lett. 113, 013502, 2018*

Also Published As

Publication number Publication date
KR20220015238A (ko) 2022-02-08

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR102378923B1 (ko) 다이아몬드 질소-빈자리 센서를 이용한 자기장 및 온도 측정 장치 및 방법
CN110401492B (zh) 一种基于量子效应的无线电调幅信号接收方法及调幅量子接收机
CN112955768A (zh) 集合固态自旋传感器的微波谐振器读出
CN102607451B (zh) 波长扫描型布里渊光时域反射仪
EP2708856B1 (en) Device and method for measuring the distribution of physical quantities in an optical fibre
JP5624524B2 (ja) 光子検出の光子検出システムおよび方法
JP5043714B2 (ja) 光ファイバ特性測定装置及び方法
JP6071203B2 (ja) 光源装置及びこれを用いた光干渉断層撮像装置、及び光発振方法
US20240053208A1 (en) Apparatus for measuring temperature using diamond nitrogen-vacancy center sensor and manufacturing method therefor
JP4414341B2 (ja) ブリュアン散乱を用いた光スペクトル分析装置およびそれに関連する測定方法
Xu et al. Velocity-selective electromagnetically-induced-transparency measurements of potassium Rydberg states
Hu et al. Reduction of laser frequency noise and intensity noise in phase-shifted fiber Bragg grating acoustic-emission sensor system
KR102588254B1 (ko) Dnv 센서 모듈을 이용한 대면적 자기장 및 온도 측정 장치 및 방법
US12130341B2 (en) Method and apparatus for measuring magnetic field and temperature using diamond nitrogen vacancy sensor
EP4302104A1 (en) Electromagnetic field detector
US7906764B2 (en) Measuring apparatus using terahertz wave
Bingham et al. The design and sensitivity of microwave frequency optical heterodyne receivers
JPH04365386A (ja) 光増幅器の絶対雑光指数決定装置および決定方法
JP3880873B2 (ja) 多重光路干渉光測定方法および測定装置
US7274028B2 (en) Characterizing fluorescent and/or phosphorescent materials
JP7429621B2 (ja) センサ
JP6039744B1 (ja) 雑音指数測定方法、雑音指数測定装置、および測定システム
Tanaka et al. Superheterodyne light beating spectroscopy for Rayleigh–Brillouin scattering using frequency-tunable lasers
JP4057251B2 (ja) 光断層画像化装置
Du Burck et al. Resolving power and sensitivity in modulation transfer stimulated resonant Raman spectroscopy

Legal Events

Date Code Title Description
PA0109 Patent application

Patent event code: PA01091R01D

Comment text: Patent Application

Patent event date: 20200730

PA0201 Request for examination
PE0902 Notice of grounds for rejection

Comment text: Notification of reason for refusal

Patent event date: 20210915

Patent event code: PE09021S01D

PG1501 Laying open of application
E701 Decision to grant or registration of patent right
PE0701 Decision of registration

Patent event code: PE07011S01D

Comment text: Decision to Grant Registration

Patent event date: 20220307

GRNT Written decision to grant
PR0701 Registration of establishment

Comment text: Registration of Establishment

Patent event date: 20220322

Patent event code: PR07011E01D

PR1002 Payment of registration fee

Payment date: 20220323

End annual number: 3

Start annual number: 1

PG1601 Publication of registration