KR102588254B1 - Dnv 센서 모듈을 이용한 대면적 자기장 및 온도 측정 장치 및 방법 - Google Patents

Dnv 센서 모듈을 이용한 대면적 자기장 및 온도 측정 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 DNV 센서 모듈을 이용하여 대면적에서의 자기장 및/또는 온도를 측정하는 장치 및 방법에 관한 것으로, 복수의 코일을 순차적으로 제어하여 측정할 대면적에 균일한 마이크로파를 제공함으로써 대면적에서의 자기장 및/또는 온도 측정을 용이하게 할 수 있다.

Description

DNV 센서 모듈을 이용한 대면적 자기장 및 온도 측정 장치 및 방법{METHOD AND APPRATUS FOR SENSING MAGNETIC FIELDS OR TEMPERATURE OF WIDE AREAS USING DIAMOND NITROGEN VACANCY SENSOR}
다양한 실시 예는 DNV 센서 모듈을 이용하여 넓은 영역에서의 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. 즉, 다이아몬드 질소-빈자리는 다이아몬드 내 안정된 상태로 존재하는 결함의 한 종류로, 탄소를 대체한 질소 원자와 탄소의 빈자리 인접한 구조를 가진다. 다이아몬드 질소-빈자리 결정 구조에서 질소 원자와 공백이 이루는 방향은 [111]을 포함, [
Figure 112021127211012-pat00001
11], [1
Figure 112021127211012-pat00002
1], [11
Figure 112021127211012-pat00003
]의 4가지가 존재할 수 있다.
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 스핀 양자(ms=+1, -1) 상태의 중첩이 없어지고 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 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 적색광을 약하게 방출하고 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 크기 및/또는 온도의 변화를 결정할 수 있다.
1. K. Sasaki, Y. Monnai, S. Saijo, R. Fujita, H. Watanabe, J. Ishi-Hayase, K. M. Itoh, E. Abe, Broadband, large-area microwave antenna for optically detected magnetic resonance of nitrogen-vacancy centers in diamond, Review of Scientific Instruments. 87, 053904 (2016). 2. X. Zhang, G. Chatzidrosos, Y. Hu, H Zheng, A. Wickenbrock, A. Jerschow, D. Budker, Battery characterization via eddy-current imaging with nitrogen-vacancy centers in diamond, Applied Sciences, 11(7), 3069 (2021). 3. P. B. Roemer, W. A. Edelstein, C.E. Hayes, S. P Souza, O. M. Mueller, The NMR phased array, Magnetic Resonance in Medicine, 16 192 (1690)
다이아몬드 질소-빈자리를 이용하여 외부 자기장 또는 온도의 변화를 측정하고자 하는 경우, 마이크로미터 이하의 공간분해능으로 측정할 수 있다. 하지만, 수 밀리미터 이상의 넓은 면적을 측정하고자 하는 경우, 측정에 필요한 강력한 마이크로파를 균일하게 해당 영역에 발생시키지 못하는 한계가 존재한다.
따라서, 본 발명에서는 공간분해능의 저하없이 수 밀리미터 이상의 대면적에서의 자기장 또는 온도의 변화를 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) 센서 기반 대면적 측정장치는 DNV 센서 모듈, 상기 DNV 센서 모듈의 하단에 구비되고 상기 DNV 센서 모듈로 인가되는 마이크로파를 방사하는 복수 개의 코일, 제1 기준 신호 및 제2 기준 신호를 생성하는 주파수 합성기, 상기 제1 기준 신호에 기초하여 주파수 변조되고 상기 DNV 센서 모듈의 스핀 양자가 제1 스핀 상태에서 제2 스핀 상태로 전이되는 제1 스핀 전이를 야기하는 제1 마이크로파를 생성하는 제1 마이크로파 생성기, 상기 제2 기준 신호에 기초하여 주파수 변조되고 상기 DNV 센서 모듈의 스핀 양자가 제1 스핀 상태에서 제3 스핀 상태로 전이되는 제2 스핀 전이를 야기하는 제2 마이크로파를 생성하는 제2 마이크로파 생성기, 상기 DNV 센서 모듈의 스핀 양자를 기저 상태에서 여기 상태로 여기시키기 위한 레이저를 인가하는 레이저 조사부, 상기 제1 마이크로파 및 상기 제2 마이크로파를 합친 후 증폭하여 상기 복수 개의 코일 중 적어도 하나의 코일로 전달하는 전력 증폭기, 상기 DNV 센서 모듈에서 출력하는 형광 검출 신호와 상기 제1 기준 신호 또는 상기 제2 기준 신호와 비교한 결과를 출력하는 락인엠프(lock in amplifier) 및 상기 복수 개의 코일 중에서 상기 전력 증폭기의 출력이 전달되는 상기 적어도 하나의 코일을 결정하고, 상기 락인엠프 출력의 변화에 기초하여 상기 적어도 하나의 코일의 구비 위치에서의 자기장 또는 온도 변화를 결정하는 제어부를 포함할 수 있다.
본 개시의 다양한 실시 예들에 따르면, 상기 락인엠프 대신에 상기 DNV 센서 모듈에서 출력되는 형광 신호를 검출하는 카메라를 포함할 수 있다.
다이아몬드 질소-빈자리(diamond nitrogen-vacancy center, DNV) 센서 기반 대면적 측정 방법은 제1 기준 신호 및 제2 기준 신호를 생성하는 동작, 상기 DNV 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 생성하는 동작, 대면적에 균일한 마이크로파를 제공하기 위하여 구비되는 복수의 코일 중 마이크로파를 방사할 적어도 하나의 코일을 결정하는 동작, 상기 제1 마이크로파 및 상기 제2 마이크로파를 합친 후 증폭하여 상기 결정된 적어도 하나의 코일을 통해 방사하는 동작, 상기 DNV 센서에 스핀 양자를 여기시키기 위한 레이저를 인가하는 동작, 락인엠프(lock in amplifier)에서 상기 DNV 센서에서 출력하는 형광 검출 신호와 상기 제1 기준 신호 또는 상기 제2 기준 신호와 비교한 결과를 출력하는 동작 및 상기 락인엠프에서 출력하는 비교 결과의 변화에 기초하여 상기 적어도 하나의 코일의 구비 위치에서의 자기장 또는 온도 변화를 결정하는 동작을 포함할 수 있다.
본 개시의 다양한 실시 예들에 따르면, 상기 락인엠프에서 형광 검출 신호와 상기 제1 기준 신호 또는 상기 제2 기준 신호와 비교한 결과를 출력하는 동작 대신에 카메라를 이용하여 상기 DNV 센서에서 출력되는 형광 신호를 검출하는 동작을 포함할 수 있다.
본 개시에서 제안하는 다양한 실시 예들에 따라, 다이아몬드 질소-빈자리를 이용한 다이아몬드 자기장 현미경의 측정 한계를 10mm 이상으로 넓힐 수 있다.
또한 본 개시에서 제안하는 다양한 실시 예들에 따라, 10 x 10 mm2 이상의 패키징된 집적회로 또는 배터리 등을 마이크로미터 수준의 분해능으로 불량 분석 등을 할 수 있어 제품 품질 확인 또는 수율 개선 등에 이바지할 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 카메라 혹을 포토 다이오드(photo diode, PD)를 이용한 ODMR 스펙트럼 측정 방법을 도시한 도면이다.
도 4는 DNV 센서 모듈을 이용한 ODMR 스펙트럼 측정 방법을 도시한 도면이다.
도 5는 DNV 센서 모듈을 이용하여 자기장 및/또는 온도를 측정하는 장치를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 6은 마이크로파를 DNV 센서 모듈(640)에 인가하는 방법의 예들을 도시한 도면이다.
도 7은 대면적에서 균일한 마이크로파를 발생시키기 위하여 하나의 대형 코일을 사용한 경우와 2개의 원형 코일을 사용한 경우에 발생되는 자기장의 크기를 비교한 결과이다.
도 8은 2개의 인접한 원형 코일간의 상호 인덕턴스의 크기를 도시한 도면이다.
도 9는 복수 개의 원형 코일을 대면적의 시료 상에 배치한 일 예를 도시한 도면이다.
도 10은 복수 개의 코일을 순차적으로 제어하는 예를 도시한 도면이다.
도 11은 초고집적회로 구동 시에 발생하는 열의 분포를 측정한 결과의 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(110)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 에너지(151)만큼 분리되어 있다.
기저 상태(110)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(150)를 가지게 된다.
기저 상태(110)의 다이아몬드 질소-빈자리의 스핀 양자는 녹색 광이 조사되면 여기 상태(120)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(120)의 스핀 양자는 기저 상태(110)로 되돌아오게 되는데 스핀 상태(ms=0)의 스핀 양자는 대부분 적색광(예: 600nm 이상 600nm 이하)의 광자를 방출하면서 스핀 상태(ms=0)의 기저 상태(110)로 되돌아오고(141), 일부는 싱글렛(singlet)(130)을 거쳐서 기저 상태(110)로 되돌아오게 되는데(143), 싱글렛(130)을 거치는 경우 적색광을 방출하지 않고 기저 상태(110)로 되돌아오게 된다.
여기 상태(120)의 스핀 상태(ms=+1)와 스핀 상태(ms=-1)의 다이아몬드 질소-빈자리의 스핀 양자는 대부분 싱글렛(130)을 거쳐서 기저 상태(110)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(110)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(110)의 스핀 양자에 녹색광(예: 532nm 파장의 광)을 인가하면 여기 상태(120)로 여기되고, 여기 상태(120)의 스핀 상태(ms=+1) 및 스핀 상태(ms=-1)의 스핀 양자의 대부분은 도1의 싱글렛(130)을 거쳐서 적색광을 방출하지 않고 기저 상태(110)로 돌아가고, 여기 상태(120)의 스핀 상태(ms=0)의 스핀 양자의 대부분은 도 1의 141을 따라 600nm 이상의 적색광을 방출하면서 기저 상태(110)로 돌아간다. 이때 스핀 상태(ms=±1)의 스핀 양자는 스핀 상태(ms=0)로 변환되면서 기저 상태(110)로 돌아가고, 스핀 상태(ms=0)의 스핀 양자 스핀 상태를 유지하면서 기저 상태(110)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(163) 또는 스핀 상태(ms=0)와 스핀 상태(ms=-1) 간 에너지 차이(161)에 해당하는 두 개의 공명 주파수에서 측정되는 광량이 낮게 나오게 된다. 해당하는 공명 주파수가 아닌 다른 주파수가 인가되면 기저 상태(110)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(120)로 여기되면, 스핀 상태(ms=0)로 남아 있던 다이아몬드 질소-빈자리의 스핀 양자가 도 1의 141 경로를 따라 적색광의 광자를 방출하면서 기저 상태(110)로 돌아오게 된다. 반대로 해당하는 공명 주파수가 가해지면 기저 상태(110)에서 스핀 상태(ms=0)의 스핀 양자가 스핀 상태(ms=+1) 또는 스핀 상태(ms=-1)로 변환되고, 다시 녹색광에 의해 여기 상태(120)로 여기된 뒤 도 1의 143 경로를 통해 적색광의 광자를 방출하지 않으면서 기저 상태(110)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(163) 및 스핀 상태(ms=0)와 스핀 상태(ms=-1) 간 에너지 차이(161)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.
ODMR 스펙트럼 측정은 다음과 같은 방법으로 이루어질 수 있다.
도 3은 카메라 혹을 포토 다이오드(photo diode, PD)를 이용한 ODMR 스펙트럼 측정 방법을 도시한 도면이고, 도 4는 DNV 센서 모듈을 이용한 측정 방법을 도시한 도면이다.
도 3에 도시된 카메라 또는 포토 다이오드를 이용한 ODMR 스펙트럼 측정 방법은 마이크로 미터 수준의 분해능으로 측정할 수 있다. 도 4에 도시된 DNV 센서 모듈(510)을 이용한 측정 방법은 도 4의 (a)에 도시된 것처럼 DNV 센서 모듈(510)을 이동형 스테이지(미도시)에 고정시켜 이동시키면서 대면적(수십 mm이상)의 시료(520)를 1mm 이하의 공간 분해능으로 측정 가능할 수 있다.
도 4의 (b)는 DNV 센서 모듈(510)의 일 예를 도시한 도면이다.
도 4를 참조하면, DNV 센서 모듈(510)은 질소-빈자리 센터를 포함하는 다이아몬드(511)를 사용하고, 질소-빈자리 센터 내의 스핀 양자는 532nm 레이저(512)로 여기 후 발생되는 600nm 이상의 적색 형광을 발생시킬 수 있다. 다이아몬드(511)에서 발생하는 적색 형광은 반구렌즈(513), 타원 반사판(514) 및 광학 필터(515)에 의하여 수집되어 검출기(516)로 전달될 수 있다. 검출기(516)의 출력은 외부의 차동 회로를 거처 락인앰프(LIA; Lock-in amplifier)로 전달되어 ODMR 스펙트럼을 생성할 수 있다.
도 5는 DNV 센서 모듈을 이용하여 자기장 및/또는 온도를 측정하는 장치를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 5를 참조하면, DNV 센서 모듈을 이용하여 자기장 및/또는 온도를 측정하는 장치(600)는 DNV 센서 모듈(640), 기준 신호 생성기(610), 제1 마이크로파 생성기(620), 제2 마이크로파 생성기(625), 전력 증폭기(power amplifier, PA)(630), 레이저 조사부(670), 영구자석(650), 기준 검출기(680), 락인엠프(lock in amplifier, LIA)(690), 그리고 제어부(695)를 포함할 수 있다. 추가적으로 상기 장치(600)는 시험 코일(660)을 더 포함할 수 있다.
다른 일 실시 예에 따라, 락인엠프(690) 및 기준 검출기(680) 대신에 대물 렌즈(675)와 CCD 카메라(685)를 사용할 수도 있다.
기준 신호 생성기(610)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(610)는 제1 마이크로파 생성기(620), 제2 마이크로파 생성기(625) 및 락인엠프(690)로 생성한 기준 신호를 전달할 수 있다. 이때, 장치(600)가 자기장을 측정하는 것으로 설정된 경우, 제1 마이크로파 생성기(620)로 전달되는 기준 신호와 제2 마이크로파 생성기(625)로 전달되는 기준 신호는 같은 주파수를 가지고 서로 위상이 180도 차이가 나도록 위상 반전이 되어 전달될 수 있다. 다른 일 실시 예에 따라, 장치(600)가 온도를 측정하는 것으로 설정된 경우, 제1 마이크로파 생성기(620)로 전달되는 기준 신호와 제2 마이크로파 생성기(625)로 전달되는 기준 신호는 같은 주파수를 가지며 동일한 위상을 가질 수 있다. 즉, 동일한 신호가 전달될 수 있다. 이때 제1 마이크로파 생성기(620)로 전달되는 기준 신호는 락인엠프(690)에 또한 전달되어, 락인엠프(690)에서 검출하고자 하는 기준 신호가 될 수 있다.
다른 일 실시 예에 따라, 장치(600)가 자기장과 온도를 동시에 측정하는 것으로 설정된 경우, 제1 마이크로파 생성기(620)로 전달되는 기준 신호와 제2 마이크로파 생성기(625)로 전달되는 기준 신호는 상이한 주파수를 가지게 된다. 이 때, 제1 마이크로파 생성기(620)로 전달되는 제1 기준 신호 및 제2 마이크로파 생성기(625)로 전달되는 제2 기준 신호는 락인엠프(690)에 전달되어 락인엠프(690)에서 검출하고자 하는 기준 신호가 될 수 있다. 이 경우 락인엠프(690)는 2개의 락인엠프를 구비하고, 하나의 락인엠프는 제1 기준 신호를 기초로 검출하고, 다른 락인엠프는 제2 기준 신호를 기초로 검출할 수 있다.
제1 마이크로파 생성기(620) 및 제2 마이크로파 생성기(625)는 DNV 센서 모듈(640)의 스핀 양자가 스핀 상태(ms=0)에서 스핀 상태(ms=-1)로 스핀 전이를 야기하는 제1 공명 주파수를 가지는 마이크로파 및 스핀 상태(ms=0)에서 스핀 상태(ms=+1)로 스핀 전이를 야기하는 제2 공명 주파수를 가지는 마이크로파를 기준 신호에 기초하여 모듈레이션한 마이크로파를 생성할 수 있다.
전력 증폭기(630)는 제1 마이크로파 생성기(620) 및 제2 마이크로파 생성기(625)에서 생성한 마이크로파 신호를 합친 후 증폭하여 DNV 센서 모듈(640)에 입력할 수 있다.
레이저 조사부(670)는 스핀 양자가 기저 상태(110)에서 여기 상태(120)로 여기되도록 하는 532nm 주파수를 가진 레이저를 DNV 센서 모듈(640)로 조사할 수 있다.
DNV 센서 모듈(640)의 스핀 양자는 제1 마이크로파 생성기(620) 및 제2 마이크로파 생성기(625)에서 생성되어 입력되는 마이크로파 신호에 의하여 2가지의 스핀 전이가 야기되고, 레이저 조사부(670)에 의하여 조사된 레이저에 의하여 여기 상태(120)로 여기되었다가 기저 상태(110)로 돌아오면서 형광을 발생할 수 있다.
락인엠프(690)는 DNV 센서 모듈(640)에서 발생한 형광을 검출한 신호를 입력 받아 기준 신호와 비교한 결과를 출력할 수 있다. 일 실시 예에 따라, 락인엠프(690)는 2개가 구비되어 제1 기준 신호와 비교한 결과 및 제2 기준 신호와 비교한 결과를 출력할 수 있다.
일 실시 예에 따라, 장치(600)는 추가적으로 영구자석(650)을 포함할 수 있다. 영구자석(650)은 DNV 센서 모듈(640)에 일정한 정자기장을 가해줄 수 있다. 이 영구자석(650)에 의하여 인가되는 정자기장에 기초하여 제1 마이크로파 생성기(620) 및 제2 마이크로파 생성기(625)가 생성하는 마이크로파 신호의 정밀한 주파수가 결정될 수 있다. 일 실시 예에 따라, 영구자석(650) 대신에 전자석 또는 초전도 자석이 사용될 수도 있다.
일 실시 예에 따라, 장치(600)는 락인엠프(690)에서 레이저가 가지고 있는 노이즈를 상쇄하기 위하여 추가적으로 기준 검출기(680) 및 차동 회로를 포함할 수 있다.
기준 검출기(680)는 DNV 센서 모듈(640)로 입력되는 레이저의 전력을 측정하여 차동 회로로 전달할 수 있다.
차동 회로는 기준 검출기(680)로부터 오는 레이저 측정 신호와 DNV 센서 모듈(640)의 출력 신호의 차이인 차동 신호만을 취득하는 CNR(common noise rejection) 기능을 수행하여 레이저에 의한 노이즈를 상쇄시킬 수 있다.
장치(600)는 추가적으로 장치의 자기장 감도 측정을 위해서 교정(calibration)된 시험 자기장을 가해주는 시험 코일(660)을 포함할 수 있다.
제어부(695)는 장치(600)에 의한 자기장 측정 및/또는 온도 측정을 제어할 수 있다. 제어부(695)는 장치(600)가 자기장을 측정할 것인지 아니면 온도를 측정할 것인지 아니면 자기장 및 온도를 측정할 것인지를 설정할 수 있다. 일 실시 예에 따라, 제어부(695)는 운용자의 입력에 기초하여 자기장 측정 및/또는 온도 측정을 설정할 수 있다. 기준 신호 생성기(610)는 제어부(695)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, 제어부(695)는 제1 마이크로파 생성기(620) 및 제2 마이크로파 생성기(625)에서 생성할 마이크로파 주파수를 설정하여 제1 마이크로파 생성기(620) 및 제2 마이크로파 생성기(625)에 제공할 수 있다. 일 실시 예에 따라, 제어부(695)는 운용자의 입력에 기초하여 생성할 마이크로파 주파수를 설정하거나, 측정된 결과에 기초하여 사용 가능한 6개의 주파수 쌍 중에서 제로-크로싱 기울기가 가장 유사한 한 쌍을 자동으로 선정하여 설정할 수 있다.
또한, 제어부(695)는 기준 신호의 진폭(Fdev) 및 전력 증폭기(630)에 의해 결정되는 DNV 센서 모듈(640)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(695)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, 제어부(695)는 락인엠프(690)로부터의 출력 데이터를 수집하고, 그 결과들을 이용하여 온도 변화 및/또는 자기장의 변화를 측정할 수 있다.
도 5의 장치에서 제1 마이크로파 생성기(620)와 제2 마이크로파 생성기(625)가 생성하는 마이크로파의 위상이 180도의 차이가 존재하게 되면, 다음 수학식 1과 같은 락인엠프의 출력 값이 되어, 온도의 변화에 상관없이 자기장의 변화(B(t))에 따라서만 변하게 되고, 그 결과 정밀한 자기장 측정을 할 수 있다.
한편, 제1 마이크로파 생성기(620)와 제2 마이크로파 생성기(625)가 생성하는 마이크로파의 위상이 동일하도록 설정한 경우에는, 락인엠프의 출력 값이 다음 수학식 2처럼 자기장의 변화에는 상관없이 온도의 변화(D(t))에 따라서만 변하게 되어 정밀한 온도 측정을 할 수 있다.
한편, 다른 실시 예에 따라, 락인엠프 대신에 CCD 카메라 또는 CMOS 카메라가 사용되어 측정된 광량에 기반하여 자기장 또는 온도 측정을 할 수 있다.
도 5에 도시된 장치에서 두 가지 주파수(f1, f2)를 인가하는 경우, f1 및 f2는 온도 및 자기장이 변하기 전의 최초 설정 시의 공명 주파수에 해당하여, , 로 나타낼 수 있다. 이때 측정되는 광량은 다음 수학식 3과 같이 온도의 변화에만 의존하는 함수로 표현될 수 있다.
따라서, 카메라를 이용하여 DNV 센서 모듈에서 출력되는 광량을 측정하여서도 정밀한 온도를 측정할 수 있다.
위와 유사하게 정밀한 자기장 또한 측정할 수 있다.
도 5에서 제1 마이크로파 생성기(620)와 제2 마이크로파 생성기(625)가 생성하는 마이크로파는 전력 증폭기(630)를 거쳐 DNV 센서 모듈(640)에 인가되는데, 이 마이크로파를 DNV 센서 모듈(640)에 인가하기 위하여 다양한 방법이 사용될 수 있다.
도 6은 마이크로파를 DNV 센서 모듈(640)에 인가하는 방법의 예들을 도시한 도면이다.
전력 증폭기(630)로부터 온 마이크로파 신호를 DNV 센서 모듈(640)로 방사시키기 위하여 도 6의 (a)처럼 단일 도선을 사용하여 거리에 반비례하는 자기장을 방사하거나, 도 6의 (b)처럼 코일 형태를 구성하여 코일 내부에서 균일한 자기장이 방사되도록 하거나 또는 도 6의 (c)처럼 안테나 구조를 구현해 부족한 자기장의 세기를 보완하면서 방사할 수 있다. 특히 대면적을 가지는 시료에서의 자기장 및/또는 온도를 측정하기 위해서는 해당 대면적 전체에서 균일하고 큰 마이크로파를 발생시킬 필요가 있으나 도 6에 도시된 어느 방법도 대면적 전체에서 균일하고 큰 마이크로파를 발생시키는데 한계가 있다.
본 발명에서는 다중 코일을 사용함으로써 보다 큰 마이크로파를 대면적에서 균일하게 발생시키는 방안을 제안한다.
도 7은 대면적에서 균일한 마이크로파를 발생시키기 위하여 하나의 대형 코일을 사용한 경우와 2개의 원형 코일을 사용한 경우에 발생되는 자기장의 크기를 비교한 결과이다.
도 7의 (b)는 상호 인덕턴스가 0이 되도록 한 2개의 코일 배치를 도시한 것이고, (a)는 (b)의 배치와 동등한 수준의 넓이를 갖는 하나의 대형 코일의 배치를 도시한다. 그리고 (c)는 하나의 대형 코일에 의하여 생성되는 수직 자기장의 크기를 도시한 것이고 (d)는 2개의 코일 배치에서 코일1에 의하여 생성되는 수직 자기장의 크기를 도시한 도면이다. 그리고 (e)는 동일한 위치에서 코일1에 의하여 생성되는 수직 자기장의 크기를 기초로 대형 코일에 의하여 생성되는 수직 자기장의 상대적 크기를 도시한 도면이다. (e)를 참조하면, 왼쪽 부분에서는 상대적 크기가 거의 동일한 것으로 나타나지만 오른쪽 부분에서는 대형 코일에 의하여 생성되는 수직 자기장의 크기가 70% 이하로 감소함을 알 수 있다.
도 7의 결과에 기초할 때, 보다 넓은 영역을 측정하기 위해 코일의 수를 증가시켰을 경우 대형 코일의 자기장 감소 폭이 더욱 증가할 것을 쉽게 예측할 수 있고, 따라서 다중 코일을 사용하는 것이 대면적 자기장 측정에 효율적임을 알 수 있다.
다중 코일을 사용할 경우 코일 간의 상호 인덕턴스(mutual inductance)로 인해 코일 간 독립적인 동작이 되지 못할 수 있고, 이를 최소화하도록 배치하고 제어하는 것이 매우 중요할 수 있다.
일 실시 예에 따라 마이크로파를 발생시키기 위한 구조로 원형 코일을 사용할 경우 코일 간의 상호 인덕턴스는 다음 수학식 4와 같이 나타낼 수 있다.
Mij 는 코일 i 와 코일 j 간 발생하는 상오 인덕턴스를 나타낸다.ri,rj는 원점으로 부터 코일의 위치를 나타내는 벡터이고, dsi, dsj는 ri,rj 가 가르키는 코일 위치에서의 국소 변위를 변위를 나타낸다.
Figure 112021127211012-pat00010
는 진공에서의 투자율(permeability)를 나타낸다.
도 8은 2개의 인접한 원형 코일간의 상호 인덕턴스의 크기를 도시한 도면이다. 도 8에서 x축은 원형 코일 중심 사이의 거리(L)에 대한 원형 코일의 지름(D)의 비이고, y축은 상호 인덕턴스 값을 나타낸다.
도 8을 참조하면, 두 원형 코일 사이의 거리가 코일 지름의 0.75배일 경우 코일 간의 상호 인덕턴스가 0에 수렴하는 것을 알 수 있다.
다른 일 실시 예에 따라 원형 코일 대신에 사각 코일을 사용하는 경우에는 두 코일 사이의 거리가 코일 폭의 약 0.9배일 경우 코일 간의 상호 인덕턴스가 0으로 수렴함을 확인할 수 있다. 즉, 대면적의 시료 상에 복수 개의 원형 코일 또는 사각 코일을 배치하여 마이크로파를 생성한다면 하나의 대형 코일을 사용하는 것보다 더 균일하고 큰 마이크로파를 생성할 수 있다.
도 9는 복수 개의 원형 코일을 대면적의 시료 상에 배치한 예들을 도시한 도면이다.
도 9를 참조하면, 복수 개의 원형 코일(1010)이 발생시키는 마이크로파가 대면적의 시료를 전부 덮도록 하기 위하여 복수 개의 원형 코일(1010)을 2차원적으로 배치할 수 있다. 도 9의 배치 예는 일 실시예에 불과한 것으로 다양한 배치 예가 사용될 수 있으며, 특히 1차원적인 배치도 가능할 수 있다. 이때 인접하는 원형 코일의 중심 간의 거리는 코일 지름의 0.75배 이상이면 충분할 것이다.
도 9의 복수 개의 코일은 다층 인쇄회로기판 (printed circuit board, PCB) 혹은 532nm 대역에서 빛 투과성이 좋은 커버글라스(cover glass) 또는 석영(SiO2) 기판 등을 사용하여 하나의 모듈로 제작될 수 있다. 이때 코일 간 단락을 방지하기 위하여 절연체로 코일 사이를 증착할 수 있고, 또는 인접하는 코일 간에는 서로 다른 층에 위치할 수 있도록 복층으로 배치될 수 있다.
이때, ODMR 스펙트럼 측정은 도 4에 도시된 CCD를 이용하거나 도 5에 도시된 DNV 센서 모듈을 복수 개 이용하여 할 수 있다.
한편, 도 9에 도시된 바와 같이 복수 개의 코일을 사용하여 마이크로파를 생성하는 경우, 복수 개의 코일이 동시에 마이크로파를 생성하는 경우 특정 위치에 대한 온도 또는 자기장의 크기를 측정할 수 없고 해당 시료의 평균적인 값만을 측정할 수 있다. 해상도를 높이고 코일 서로 간의 자기장 세기 간섭을 방지하기 위하여는 복수 개의 코일을 순차적으로 구동하여 제어할 필요가 있다.
도 10은 복수 개의 코일을 순차적으로 제어하는 예를 도시한 도면이다.
도 10의 (a)는 연속적으로 측정하는 예를 도시한 것으로 532nm의 여기 레이저를 계속 조사하면서 특정 위치의 코일만을 구동함으로써 해당 특정 위치의 온도 및/또는 자기장의 크기를 측정할 수 있다.
도 10의 (b)는 펄스형태로 측정하는 예를 도시한 것으로 532nm의 여기 레이저를 펄스 형태로 조사하면서 특정 위치의 코일을 구동하고, 광자를 검출하는 CCD도 해당 펄스에 동기되어 동작하도록 함으로써, CCD 카메라가 신호를 생성하는 속도에 제약이 있는 경우에 해당 제약에 대응하여 유효하게 동작시킬 수 있다.
도 10의 예에서는 한 시점에 하나의 코일만을 구동시키는 것으로 도시되어 있으나 일 실시 예에 따라 각 코일 별로 별도의 DNV 센서 모듈이 구비되어 있는 경우, 서로 자기장의 세기 간섭을 야기하지 않는 복수 개의 코일을 동시에 구동시킬 수도 있다. 이렇게 동작시키는 경우 전체적인 측정 속도를 높일 수 있다.
도 5에 도시된 장치, 도 9에 도시된 코일 배치 방법 및 도 10에 도시된 코일 구동 방법을 사용함으로써 해상도 높은 측정 결과를 획득할 수 있다. 이러한 측정을 통해, 예를 들면, 초고집적회로에서 구동 시 발생하는 열의 분포를 측정할 수 있다.
도 11은 초고집적회로 구동 시에 발생하는 열의 분포를 측정한 결과의 일 예를 도시한 도면이다.
도 11에 도시된 바와 같이, 이러한 측정을 통하여 초고집적회로 내의 열이 많이 발생하는 특정 영역(1210)을 도출할 수 있고, 해당 영역에서 열이 많이 발생하는 원인을 분석하고 해소하도록 하는 데 일조할 수 있을 것이다.
다양한 실시 예들에 따르면, 다이아몬드 질소-빈자리(diamond nitrogen-vacancy center, DNV) 센서 기반 대면적 측정장치는 DNV 센서 모듈, 상기 DNV 센서 모듈의 하단에 구비되고 상기 DNV 센서 모듈로 인가되는 마이크로파를 방사하는 복수 개의 코일, 제1 기준 신호 및 제2 기준 신호를 생성하는 주파수 합성기, 상기 제1 기준 신호에 기초하여 주파수 변조되고 상기 DNV 센서 모듈의 스핀 양자가 제1 스핀 상태에서 제2 스핀 상태로 전이되는 제1 스핀 전이를 야기하는 제1 마이크로파를 생성하는 제1 마이크로파 생성기, 상기 제2 기준 신호에 기초하여 주파수 변조되고 상기 DNV 센서 모듈의 스핀 양자가 제1 스핀 상태에서 제3 스핀 상태로 전이되는 제2 스핀 전이를 야기하는 제2 마이크로파를 생성하는 제2 마이크로파 생성기, 상기 DNV 센서 모듈의 스핀 양자를 기저 상태에서 여기 상태로 여기시키기 위한 레이저를 인가하는 레이저 조사부, 상기 제1 마이크로파 및 상기 제2 마이크로파를 합친 후 증폭하여 상기 복수 개의 코일 중 적어도 하나의 코일로 전달하는 전력 증폭기, 상기 DNV 센서 모듈에서 출력하는 형광 검출 신호와 상기 제1 기준 신호 또는 상기 제2 기준 신호와 비교한 결과를 출력하는 락인엠프(lock in amplifier) 및 상기 복수 개의 코일 중에서 상기 전력 증폭기의 출력이 전달되는 상기 적어도 하나의 코일을 결정하고, 상기 락인엠프 출력의 변화에 기초하여 상기 적어도 하나의 코일의 구비 위치에서의 자기장 또는 온도 변화를 결정하는 제어부를 포함할 수 있다.
다양한 실시 예들에 따르면, 다이아몬드 질소-빈자리(diamond nitrogen-vacancy center, DNV) 센서 기반 대면적 측정장치는 상기 레이저의 전력을 측정하는 기준 검출기 및 상기 형광 검출 신호와 상기 기준 검출기의 출력 신호 간의 차이를 출력하는 차동 회로를 더 포함하고, 상기 락인엠프는 상기 복수 개의 코일 각각의 구비 위치에서 상기 차동 회로의 출력 신호와 상기 기준 신호를 비교한 결과를 출력할 수 있다.
다양한 실시 예들에 따르면, 다이아몬드 질소-빈자리(diamond nitrogen-vacancy center, DNV) 센서 기반 대면적 측정장치는 상기 DNV 센서 모듈에 일정한 정자기장을 인가하는 영구자석 또는 전자석 또는 초전도 자석을 더 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 생성할 수 있다.
다양한 실시 예들에 따르면, 상기 락인엠프는 상기 형광 검출 신호와 상기 제1 기준 신호를 비교한 결과를 출력하는 제1 락인엠프 및 상기 형광 검출 신호와 상기 제2 기준 신호를 비교한 결과를 출력하는 제2 락인 엠프를 포함하고, 자기장과 온도를 동시에 측정하고자 하는 경우, 상기 주파수 합성기는 상기 제1 기준 신호와 상기 제2 기준 신호의 주파수가 상이하도록 생성하고, 상기 제어부는 상기 제1 락인엠프의 출력과 상기 제2 락인엠프의 출력을 가산한 결과와 감산한 결과에 기초하여 자기장 및 온도를 추정할 수 있다.
다양한 실시 예들에 따르면, 다이아몬드 질소-빈자리(diamond nitrogen-vacancy center, DNV) 센서 기반 대면적 측정장치는 DNV 센서 모듈, 상기 DNV 센서 모듈의 하단에 구비되고 상기 DNV 센서 모듈로 인가되는 마이크로파를 방사하는 복수 개의 코일, 제1 기준 신호 및 제2 기준 신호를 생성하는 주파수 합성기, 상기 제1 기준 신호에 기초하여 주파수 변조되고 상기 DNV 센서 모듈의 스핀 양자가 제1 스핀 상태에서 제2 스핀 상태로 전이되는 제1 스핀 전이를 야기하는 제1 마이크로파를 생성하는 제1 마이크로파 생성기, 상기 제2 기준 신호에 기초하여 주파수 변조되고 상기 DNV 센서 모듈의 스핀 양자가 제1 스핀 상태에서 제3 스핀 상태로 전이되는 제2 스핀 전이를 야기하는 제2 마이크로파를 생성하는 제2 마이크로파 생성기, 상기 DNV 센서 모듈의 스핀 양자를 기저 상태에서 여기 상태로 여기시키기 위한 레이저를 인가하는 레이저 조사부, 상기 제1 마이크로파 및 상기 제2 마이크로파를 합친 후 증폭하여 상기 복수 개의 코일 중 적어도 하나로 전달하는 전력 증폭기, 상기 DNV 센서 모듈에서 출력되는 형광 신호를 검출하는 카메라 및 상기 복수 개의 코일 중에서 상기 전력 증폭기의 출력이 전달되는 상기 적어도 하나의 코일을 결정하고, 상기 카메라에서 출력하는 형광의 세기에 기초하여 상기 적어도 하나의 코일의 구비 위치에서의 자기장 또는 온도의 변화를 결정하는 제어부를 포함할 수 있다.
다양한 실시 예들에 따르면, 다이아몬드 질소-빈자리 센서 기반 대면적 측정장치는 상기 DNV 센서 모듈과 상기 카메라 사이에 상기 형광 신호를 집중시키는 대물 렌즈를 더 포함할 수 있다.
다양한 실시 예들에 따르면, 다이아몬드 질소-빈자리 센서 기반 대면적 측정장치는 상기 DNV 센서 모듈에 일정한 정자기장을 인가하는 영구자석 또는 전자석 또는 초전도 자석을 더 포함할 수 있다.
다양한 실시 예들에 따르면, 다이아몬드 질소-빈자리 센서 기반 대면적 측정 방법은 제1 기준 신호 및 제2 기준 신호를 생성하는 동작, 상기 DNV 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 생성하는 동작, 대면적에 균일한 마이크로파를 제공하기 위하여 구비되는 복수의 코일 중 마이크로파를 방사할 적어도 하나의 코일을 결정하는 동작, 상기 제1 마이크로파 및 상기 제2 마이크로파를 합친 후 증폭하여 상기 결정된 적어도 하나의 코일을 통해 방사하는 동작, 상기 DNV 센서에 스핀 양자를 여기시키기 위한 레이저를 인가하는 동작, 락인엠프(lock in amplifier)에서 상기 DNV 센서에서 출력하는 형광 검출 신호와 상기 제1 기준 신호 또는 상기 제2 기준 신호와 비교한 결과를 출력하는 동작, 상기 락인엠프에서 출력하는 비교 결과의 변화에 기초하여 상기 적어도 하나의 코일의 구비 위치에서의 자기장 또는 온도 변화를 결정하는 동작을 포함할 수 있다.
다양한 실시 예들에 따르면, 다이아몬드 질소-빈자리 센서 기반 대면적 측정 방법은 상기 레이저의 전력을 측정하는 동작 및 차동 회로를 이용하여 상기 형광 검출 신호와 상기 측정된 레이저의 전력 신호 간의 차이를 출력하는 동작을 더 포함할 수 있고, 상기 비교한 결과를 출력하는 동작은 상기 차동 회로의 출력과 상기 제1 기준 신호 또는 상기 제2 기준 신호와 비교한 결과를 출력하는 동작일 수 있다.
다양한 실시 예들에 따르면, 다이아몬드 질소-빈자리 센서 기반 대면적 측정 방법은 상기 DNV 센서에 일정한 정자기장을 인가하는 동작을 더 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 및 온도를 측정하고자 하는 경우, 상기 제1 기준 신호와 상기 제2 기준 신호가 동일한 위상을 가지도록 생성하는 동작을 포함할 수 있다.
다양한 실시 예들에 따르면, 다이아몬드 질소-빈자리(diamond nitrogen-vacancy center, DNV) 센서 기반 대면적 측정 방법은 제1 기준 신호 및 제2 기준 신호를 생성하는 동작, 상기 DNV 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 생성하는 동작, 대면적에 균일한 마이크로파를 제공하기 위하여 구비되는 복수의 코일 중 마이크로파를 방사할 적어도 하나의 코일을 결정하는 동작, 상기 제1 마이크로파 및 상기 제2 마이크로파를 합친 후 증폭하여 상기 결정된 적어도 하나의 코일을 통해 방사하는 동작, 상기 DNV 센서에 스핀 양자를 여기시키기 위한 레이저를 인가하는 동작, 카메라를 이용하여 상기 DNV 센서에서 출력되는 형광 신호를 검출하는 동작 및 상기 카메라에서 출력하는 형광의 세기에 기초하여 상기 적어도 하나의 코일의 구비 위치에서의 자기장 또는 온도 변화를 결정하는 동작을 포함할 수 있다.
다양한 실시 예들에 따르면, 다이아몬드 질소-빈자리(diamond nitrogen-vacancy center, DNV) 센서 기반 대면적 측정 방법은 상기 DNV 센서에 출력되는 상기 형광 신호를 상기 카메라로 집중시키는 동작을 더 포함할 수 있다.
본 발명에서 제시하는 DNV 센서 기반 측정 장치 및 측정 방법은 넓을 영역에서의 자기장 및/또는 온도를 측정하는 것을 용이하게 할 수 있다.

Claims (19)

  1. 다이아몬드 질소-빈자리(diamond nitrogen-vacancy center, DNV) 센서 기반 대면적 측정장치에 있어서,
    DNV 센서 모듈;
    대면적 시료 상의 서로 다른 위치에 구비되고, 상기 DNV 센서 모듈로 인가되는 마이크로파를 방사하는 복수 개의 코일;
    제1 기준 신호 및 제2 기준 신호를 생성하는 주파수 합성기;
    상기 제1 기준 신호에 기초하여 주파수 변조되고 상기 DNV 센서 모듈의 스핀 양자가 제1 스핀 상태에서 제2 스핀 상태로 전이되는 제1 스핀 전이를 야기하는 제1 마이크로파를 생성하는 제1 마이크로파 생성기;
    상기 제2 기준 신호에 기초하여 주파수 변조되고 상기 DNV 센서 모듈의 스핀 양자가 제1 스핀 상태에서 제3 스핀 상태로 전이되는 제2 스핀 전이를 야기하는 제2 마이크로파를 생성하는 제2 마이크로파 생성기;
    상기 DNV 센서 모듈의 스핀 양자를 기저 상태에서 여기 상태로 여기시키기 위한 레이저를 인가하는 레이저 조사부;
    상기 제1 마이크로파 및 상기 제2 마이크로파를 합친 후 증폭하여 상기 복수 개의 코일 중 적어도 하나의 코일로 전달하는 전력 증폭기;
    상기 DNV 센서 모듈에서 출력하는 형광 검출 신호와 상기 제1 기준 신호 또는 상기 제2 기준 신호와 비교한 결과를 출력하는 락인엠프(lock in amplifier); 및
    상기 복수 개의 코일에 순차적으로 상기 전력 증폭기의 출력이 전달되도록 제어하고, 상기 락인엠프 출력의 변화에 기초하여 상기 복수 개의 코일이 구비된 각각의 위치에서의 상기 대면적 시료의 자기장 또는 온도 변화를 결정하는 제어부를 포함하는, DNV 센서 기반 대면적 측정 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 레이저의 전력을 측정하는 기준 검출기;
    상기 형광 검출 신호와 상기 기준 검출기의 출력 신호 간의 차이를 출력하는 차동 회로를 더 포함하고,
    상기 락인엠프는,
    상기 복수 개의 코일 각각의 구비 위치에서 상기 차동 회로의 출력 신호와 상기 기준 신호를 비교한 결과를 출력하는, DNV 센서 기반 대면적 측정 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 DNV 센서 모듈에 일정한 정자기장을 인가하는 영구자석 또는 전자석 또는 초전도 자석을 더 포함하는, DNV 센서 기반 대면적 측정 장치.
  4. 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 생성하는, DNV 센서 기반 대면적 측정 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 락인엠프는,
    상기 형광 검출 신호와 상기 제1 기준 신호를 비교한 결과를 출력하는 제1 락인엠프; 및
    상기 형광 검출 신호와 상기 제2 기준 신호를 비교한 결과를 출력하는 제2 락인 엠프를 포함하고,
    자기장과 온도를 동시에 측정하고자 하는 경우,
    상기 주파수 합성기는 상기 제1 기준 신호와 상기 제2 기준 신호의 주파수가 상이하도록 생성하고,
    상기 제어부는 상기 제1 락인엠프의 출력과 상기 제2 락인엠프의 출력을 가산한 결과와 감산한 결과에 기초하여 자기장 및 온도를 추정하는, DNV 센서 기반 대면적 측정 장치.
  6. 다이아몬드 질소-빈자리(diamond nitrogen-vacancy center, DNV) 센서 기반 대면적 측정장치에 있어서,
    DNV 센서 모듈;
    대면적 시료 상의 서로 다른 위치에 구비되고, 상기 DNV 센서 모듈로 인가되는 마이크로파를 방사하는 복수 개의 코일;
    제1 기준 신호 및 제2 기준 신호를 생성하는 주파수 합성기;
    상기 제1 기준 신호에 기초하여 주파수 변조되고 상기 DNV 센서 모듈의 스핀 양자가 제1 스핀 상태에서 제2 스핀 상태로 전이되는 제1 스핀 전이를 야기하는 제1 마이크로파를 생성하는 제1 마이크로파 생성기;
    상기 제2 기준 신호에 기초하여 주파수 변조되고 상기 DNV 센서 모듈의 스핀 양자가 제1 스핀 상태에서 제3 스핀 상태로 전이되는 제2 스핀 전이를 야기하는 제2 마이크로파를 생성하는 제2 마이크로파 생성기;
    상기 DNV 센서 모듈의 스핀 양자를 기저 상태에서 여기 상태로 여기시키기 위한 레이저를 인가하는 레이저 조사부;
    상기 제1 마이크로파 및 상기 제2 마이크로파를 합친 후 증폭하여 상기 복수 개의 코일 중 적어도 하나로 전달하는 전력 증폭기;
    상기 DNV 센서 모듈에서 출력되는 형광 신호를 검출하는 카메라; 및
    상기 복수 개의 코일에 순차적으로 상기 전력 증폭기의 출력이 전달되도록 제어하고, 상기 카메라에서 출력하는 형광의 세기에 기초하여 상기 복수 개의 코일이 구비된 각각의 위치에서의 상기 대면적 시료의 자기장 또는 온도 변화를 결정하는 제어부를 포함하는, DNV 센서 기반 대면적 측정 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 DNV 센서 모듈과 상기 카메라 사이에 상기 형광 신호를 집중시키는 대물 렌즈를 더 포함하는, DNV 센서 기반 대면적 측정 장치.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 DNV 센서 모듈에 일정한 정자기장을 인가하는 영구자석 또는 전자석 또는 초전도 자석을 더 포함하는, DNV 센서 기반 대면적 측정 장치.
  9. 제6항에 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 생성하는, DNV 센서 기반 대면적 측정 장치.
  10. 다이아몬드 질소-빈자리(diamond nitrogen-vacancy center, DNV) 센서 기반 대면적 측정 방법에 있어서,
    제1 기준 신호 및 제2 기준 신호를 생성하는 동작;
    상기 DNV 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 생성하는 동작;
    대면적 시료 상의 서로 다른 위치에 구비되는 복수의 코일을 통해 마이크로파를 방사할 수 있도록 상기 복수의 코일 중 마이크로파를 방사할 적어도 하나의 코일을 순차적으로 결정하는 동작;
    상기 제1 마이크로파 및 상기 제2 마이크로파를 합친 후 증폭하여 순차적으로 상기 결정된 적어도 하나의 코일을 통해 방사하는 동작;
    상기 DNV 센서에 스핀 양자를 여기시키기 위한 레이저를 인가하는 동작;
    락인엠프(lock in amplifier)에서 상기 DNV 센서에서 출력하는 형광 검출 신호와 상기 제1 기준 신호 또는 상기 제2 기준 신호와 비교한 결과를 출력하는 동작; 및
    상기 락인엠프에서 출력하는 비교 결과의 변화에 기초하여 상기 복수의 코일이 구비된 각각의 위치에서의 상기 대면적 시료의 자기장 또는 온도 변화를 결정하는 동작을 포함하는, DNV 센서기반 측정 방법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 레이저의 전력을 측정하는 동작;
    차동 회로를 이용하여 상기 형광 검출 신호와 상기 측정된 레이저의 전력 신호 간의 차이를 출력하는 동작; 을 더 포함하고,
    상기 비교한 결과를 출력하는 동작은 상기 차동 회로의 출력과 상기 제1 기준 신호 또는 상기 제2 기준 신호와 비교한 결과를 출력하는 동작인, DNV 센서기반 측정 방법.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 DNV 센서에 일정한 정자기장을 인가하는 동작을 더 포함하는, DNV 센서기반 측정 방법.
  13. 제10항에 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; 및
    온도를 측정하고자 하는 경우, 상기 제1 기준 신호와 상기 제2 기준 신호가 동일한 위상을 가지도록 생성하는 동작을 포함하는, DNV 센서기반 측정 방법.
  14. 다이아몬드 질소-빈자리(diamond nitrogen-vacancy center, DNV) 센서 기반 대면적 측정 방법에 있어서,
    제1 기준 신호 및 제2 기준 신호를 생성하는 동작;
    상기 DNV 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 생성하는 동작;
    대면적 시료 상의 서로 다른 위치에 구비되는 복수의 코일을 통해 마이크로파를 방사할 수 있도록 상기 복수의 코일 중 마이크로파를 방사할 적어도 하나의 코일을 순차적으로 결정하는 동작;
    상기 제1 마이크로파 및 상기 제2 마이크로파를 합친 후 증폭하여 순차적으로 상기 결정된 적어도 하나의 코일을 통해 방사하는 동작;
    상기 DNV 센서에 스핀 양자를 여기시키기 위한 레이저를 인가하는 동작;
    카메라를 이용하여 상기 DNV 센서에서 출력되는 형광 신호를 검출하는 동작; 및
    상기 카메라에서 출력하는 형광의 세기에 기초하여 상기 복수의 코일이 구비된 각각의 위치에서의 상기 대면적 시료의 자기장 또는 온도 변화를 결정하는 동작을 포함하는, DNV 센서기반 측정 방법.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 DNV 센서에 출력되는 상기 형광 신호를 상기 카메라로 집중시키는 동작을 더 포함하는, DNV 센서기반 측정 방법.
  16. 제14항에 있어서,
    상기 DNV 센서에 일정한 정자기장을 인가하는 동작을 더 포함하는, DNV 센서기반 측정 방법.
  17. 제14항에 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; 및
    온도를 측정하고자 하는 경우, 상기 제1 기준 신호와 상기 제2 기준 신호가 동일한 위상을 가지도록 생성하는 동작을 포함하는, DNV 센서기반 측정 방법.
  18. 제1항에 있어서,
    상기 DNV 센서 모듈은 상기 전력 증폭기의 출력이 전달되는 적어도 하나의 코일의 구비 위치로 이동하거나 또는
    상기 DNV 센서 모듈은 상기 복수 개의 코일 상에 각각 고정적으로 구비되는, DNV 센서 기반 대면적 측정 장치.
  19. 제6항에 있어서,
    상기 DNV 센서 모듈은 상기 전력 증폭기의 출력이 전달되는 적어도 하나의 코일의 구비 위치로 이동하거나 또는
    상기 DNV 센서 모듈은 상기 복수 개의 코일 상에 각각 고정적으로 구비되는, DNV 센서 기반 대면적 측정 장치.
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