KR20210075402A - 다이아몬드 질소 공석 자기장 센서 - Google Patents

다이아몬드 질소 공석 자기장 센서 Download PDF

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Abstract

본 발명은 다이아몬드 질소 공석 자기장 센서에서 감도를 향상시키는 방안에 관한 것으로, 다이아몬드 질소-빈자리 중심(diamond nitrogen-vacancy center, DNV) 센서는 원통 또는 각기둥 형상의 거울, 상기 거울의 일측의 내부에 구비되는 제1 필터, 다이아몬드, 반구 렌즈, 상기 거울의 반대편 일측에서 상기 거울에 부착되는 제2 필터 및 광 검출기를 포함하고, 상기 제1 필터, 상기 다이아몬드 및 상기 반구 렌즈는 상기 다이아몬드를 가운데 두고 접합되고, 상기 제1 필터는 상기 다이아몬드 질소-빈자리 중심이 여기 상태에서 기저 상태로 돌아오면서 방출하는 광자가 가지는 파장 대역을 통과시키지 않는 필터이고, 상기 반구 렌즈는 상기 다이아몬드의 굴절률에 가까운 굴절률을 가질 수 있으며, 이에 의해 다이아몬드 밖으로 방출되는 형광을 증가시킴으로써 광 검출기에서 검출하는 양을 늘려 자기장 센서의 측정 감도를 높일 수 있다.

Description

다이아몬드 질소 공석 자기장 센서{DIAMOND NITROGEN VACANCY CENTER MAGNETIC FIELD SENSOR}
다양한 실시 예는 다이아몬드 질소 공석 자기장 센서에서 감도를 향상시키는 방안에 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 내 존재하는 질소-빈자리는 532nm 파장의 레이저를 조사하면 600nm 이상 파장 대역을 형광을 발생한다. 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 스핀은 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. 따라서, 질소-빈자리 스핀의 공명 주파수에 가깝게 주파수 변조된 마이크로파를 질소-빈자리에 가해 주면, 각 스핀 전이를 독립적으로 유도할 수 있고, 스핀 전이에 의해 발생하는 형광이 발생하는 주파수의 변화로부터 외부 자기장의 변화를 탐지할 수 있다.
질소-빈자리에 의해 발생된 형광은 광검출기 또는 포토 다이오드에 의하여 측정할 수 있다. 동일 파워의 532nm 레이저로 질소-빈자리 센터를 여기하는 경우, 질소-빈자리에 의해 발생된 형광을 더 많이 포집할수록 포토 다이오드에서 측정되는 신호의 세기가 커져 신호 대 잡음비가 증가하여 측정 감도가 향상될 수 있다.
질소-빈자리에 의해 발생되는 형광 빛이 포토 다이오드에 도달하기 위해서는 가정 먼저 다이아몬드와 외부 매질(공기)과의 경계면을 통과하여 다이아몬드 밖으로 나올 수 있어야 한다. 그런데 형광 빛이 경계면을 통과하기 위해서는 전반사 각도 안으로 입사하여야 하나, 외부 매질과 다이아몬드의 굴절률 차이로 인해 전반사 각도가 상당히 작아 질소-빈자리 센터에서 발생한 형광 빛 중에서 극히 일부만이 포토 다이오드에서 측정이 가능하여 측정 감도가 약할 수 있다는 문제가 있다.
상술한 문제를 해소하고 포토 다이오드에서의 측정 감도를 향상시키기 위하여 본 발명에서는 전반사 각도를 크게 하여 더 많은 형광 빛이 다이아몬드 밖으로 빠져나와 포토 다이오드에서 측정이 될 수 있도록 하는 DNV 자기장 센서를 제안한다.
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 중심(diamond nitrogen-vacancy center, DNV) 센서는 원통 또는 각기둥 형상의 거울, 상기 거울의 일측의 내부에 구비되는 제1 필터, 다이아몬드, 반구 렌즈, 상기 거울의 반대편 일측에서 상기 거울에 부착되는 제2 필터 및 광 검출기를 포함하고, 상기 제1 필터, 상기 다이아몬드 및 상기 반구 렌즈는 상기 다이아몬드를 가운데 두고 접합되고, 상기 제1 필터는 상기 다이아몬드 질소-빈자리 중심이 여기 상태에서 기저 상태로 돌아오면서 방출하는 광자가 가지는 파장 대역을 통과시키지 않는 필터이고, 상기 반구 렌즈는 상기 다이아몬드의 굴절률에 가까운 굴절률을 가질 수 있다.
본 개시의 다양한 실시 예들에 따르면, 다이아몬드 질소-빈자리 중심(diamond nitrogen-vacancy center, DNV) 센서 시스템은 상술한 DNV 센서, 상기 DNV 센서의 다이아몬드 질소-빈자리 중심을 기저 상태에서 여기 상태로 여기 시키기 위한 광을 주입하는 광원 및 상기 DNV 센서의 다이아몬드의 기저 상태에서 스핀 상태(ms=0)의 질소-빈자리 중심을 스핀 상태(ms=+1)의 질소-빈자리 중심 또는 스핀 상태(ms=-1)의 질소-빈자리 중심으로 여기시키는 마이크로파 소스를 포함할 수 있다.
다양한 실시 예들에 따라, 다이아몬드 내 질소-빈자리 중심에서 방출되는 형광이 더욱 많이 다이아몬드 밖으로 방출되도록 할 수 있다.
다양한 실시 예들에 따라, 다이아몬드 밖으로 방출되는 형광을 증가시킴으로써 광 검출기에서 검출하는 양을 늘려 자기장 센서의 측정 감도를 높일 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 1a는 다이아몬드 질소-빈자리 중심의 에너지 준위 다이어그램을 도시한 도면이다.
도 1b는 ODMR 스펙트럼의 일 예를 도시한 도면이다.
도 2는 다이아몬드 질소-빈자리 중심(DNV)을 이용한 센서 시스템의 개략도를 도시한 도면이다.
도 3은 다이아몬드 내에서 광자가 공기 중으로 방출되는 예를 도시한 도면이다.
도 4는 사다리꼴 형태로 가공된 다이아몬드에서의 광자 방출 예를 도시한 도면이다.
도 5는 고 굴절률 반구 렌즈를 다이아몬드에 접합한 경우의 광자 방출 예를 도시한 도면이다.
도 6은 고 굴절률 반구 렌즈 및 필터를 사다리꼴 형태로 가공된 다이아몬드에 접합한 경우의 광자 방출 예를 도시한 도면이다.
도 7은 다양한 실시 예들에 따른 DNV 센서 구조를 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 1a는 다이아몬드 질소-빈자리 중심의 에너지 준위 다이어그램을 도시한 도면이다.
도 1a를 참조하면, 질소-빈자리 중심은 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 에너지만큼 분리되어 있다.
기저 상태에서 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 준위를 가지게 된다.
기저 상태(110)의 질소-빈자리 중심은 녹색 광이 조사되면 여기 상태(120)로 여기된다. 녹색광은 637nm 이하의 파장을 가진 광일 수 있으나, 바람직하게는 532nm 파장을 가진 광일 수 있다. 이때, 질소-빈자리 중심의 각 스핀 상태는 각 스핀 상태를 유지하면서 여기된다.
여기 상태(120)의 질소-빈자리 중심은 기저 상태(110)로 되돌아오게 되는데 일부는 적색광(예: 600nm 이상 900nm 이하)의 광자를 방출하면서 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 상태9110)로 되돌아오게 된다.
여기 상태(120)의 스핀상태(ms=0)의 질소-빈자리 중심은 적색광의 광자를 방출하면서 기저 상태(110)로 되돌아온다. 반면에 여기 상태(120)의 스핀 상태(ms=+1)와 스핀 상태(ms=-1)의 질소-빈자리 중심은 대부분 싱글렛(130)을 거쳐서 기저 상태(110)로 되돌아오며, 되돌아올 때 원래의 스핀 상태가 아닌 스핀 상태(ms=0)로 돌아오게 된다. 따라서 녹색 광을 조사하면, 일정 시간이 지난 후 질소-빈자리 중심의 스핀 상태는 스핀 기저상태인 스핀 상태(ms=0)로 결정된다.
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 마이크로파를 가해주면, 기저 상태(110)의 스핀 상태(ms=0)에서 스핀 상태(ms=+1) 또는 스핀 상태(ms=-1)로의 전이가 유도된다. 여기서, 스핀 상태(ms=0)와 스핀 상태(ms=+1) 간 에너지 차이(제1 에너지 차이)와 스핀 상태(ms=0)와 스핀 상태(ms=-1) 간 에너지 차이(제2 에너지 차이)의 간격은 질소-빈자리 중심에 가해진 외부 자기장에 의해 결정될 수 있다. 예를 들면, 제1 에너지 차이 - 제2 에너지 차이 = 2ηB로 결정될 수 있다. 여기서 η는 전자 스핀 자기회전 비율이고, B는 자기장의 세기일 수 있다.
기저 상태(110)의 질소-빈자리 중심에 녹색광을 인가하면 여기 상태(120)로 여기되고, 여기 상태(120)의 스핀 상태(ms=+1) 및 스핀 상태(ms=-1)의 질소-빈자리 중심은 도1의 143을 통해 적색광을 방출하지 않고 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 주파수 대역에서 광량이 낮은 부분이 관측될 수 있다.
도 1b는 ODMR 스펙트럼의 일 예를 도시한 도면이다.
도 1b를 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 주파수 대역에서 측정되는 광량이 낮게 나오게 된다. 해당하는 주파수 대역이 아닌 대역의 마이크로파가 가해지면 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 질소-빈자리 중심이 도 1a의 141 경로를 따라 적색광의 광자를 방출하면서 기저 상태(110)로 돌아오게 된다. 반대로 해당하는 주파수 대역의 마이크로파가 가해지면 기저 상태(110)의 스핀 상태(ms=0)가 스핀 상태(ms=+1) 또는 스핀 상태(ms=-1)로 여기되고, 다시 녹색광에 의해 여기 상태(120)로 여기된 뒤 도 1a의 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 차이에 해당하는 두 개의 주파수 대역에서 측정되는 광량이 낮게 나오게 된다. 그리고 이 두 개의 주파수 대역의 차이는 다이아몬드 질소-빈자리 중심에 존재하는 자기장의 세기에 비례한다. 따라서, 다이아몬드 질소-빈자리 중심은 존재하는 자기장을 검출하는데 이용될 수 있다.
도 2는 다이아몬드 질소-빈자리 중심(DNV)을 이용한 센서 시스템(200)의 개략도를 도시한 도면이다.
도 2를 참조하면, DNV 센서 시스템(200)은 질소-빈자리 중심이 있는 다이아몬드(230), 다이아몬드(230)에 광학 여기 에너지를 제공하기 위한 여기 광원(220), 마이크로파 안테나(221)를 통해 방출되는 마이크로파를 제공하는 마이크로파 소스(210), 필터(240) 및 광 검출기(250)를 포함할 수 있다.
마이크로파 소스(210)는 마이크로파 안테나(221)를 통해 방출되는 마이크로파를 제공하는데, 일실시 예에 따라 마이크로파 안테나(221)는 다이아몬드(230) 앞이 아닌 다이아몬드(230)를 감싸면서 주변에 배치될 수 있다. 도 1b에 도시된 바와 같이 마이크로파 소스(210)는 다양한 주파수 대역의 마이크로파를 제공할 수 있다. 마이크로파 소스(210)가 제공하는 마이크로파의 주파수 대역이 기저 상태(110)에서 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 해당되는 경우, 도 1a에 도시된 기저 상태(110)에서 스핀 상태(ms=0)에 있는 질소-빈자리 중심을 스핀 상태(ms=+1) 또는 스핀 상태(ms=-1)로 여기시킬 수 있다.
광원(220)은 레이저일 수도 있으며 녹색 광(예: 532nm의 파장을 가지는 광)을 방출할 수 있다. 광원(220)에 의해 다이아몬드(230)에 입사된 광은 기저 상태(110)에 있는 질소-빈자리 중심을 여기 상태(120)로 여기시킨다. 도 1a에 도시된 바와 같이 여기 상태(120)로 여기된 질소-빈자리 중심에서 스핀 상태(ms=0)의 질소-빈자리 중심은 적색광의 광자를 방출하면서 기저 상태로 되돌아오고(141), 스핀 상태(ms=+1) 또는 스핀 상태(ms=-1)의 질소-빈자리 중심의 대부분은 싱글렛(130)을 거치면서 스핀 상태(ms=0)로 돌아오게 된다. 여기 상태(120)에서 기저 상태(110)로 돌아가면서 방출하는 적색광은 필터(240)를 거쳐서 광 검출기(250)에서 검출될 수 있다.
필터(240)는 적색광을 통과시키고 광원(220)에 의해 생성된 녹색광을 포함하는 기타 파장을 가지는 광들을 통과하지 못하도록 할 수 있다.
광 검출기(250)는 필터(240)를 거쳐온 광자를 검출하고, 광 검출기(250)에서 검출한 형광의 세기에 기초하여 ODMR 스펙트럼을 획득할 수 있다. 그리고 도 1b에 도시된 것처럼 ODMR 스펙트럼에서 형광의 세기가 작을 때의 마이크로파 소스(210)에서 인가한 두 개의 주파수 대역을 획득하고, 이 두 개의 주파수 대역의 차이에 기초하여 자기장의 세기를 유추할 수 있다.
이때 다이아몬드(230)와 필터(240) 사이에는 다이아몬드(230)에서 나온 광자를 필터(240) 쪽으로 유도하기 위한 광가이드가 구비되어 있을 수 있다.
도 2에 도시된 센서 시스템(200)에 있어서 자기장 측정 감도를 높이기 위해서는 다이아몬드 내의 질소-빈자리 중심에서 여기 상태(120)에서 기저 상태(110)로 되돌아 가면서 방출하는 광자가 다이아몬드(230)를 나와 광 검출기(250)까지 도달하여야 한다.
도 3은 다이아몬드 내에서 광자가 공기 중으로 방출되는 예를 도시한 도면이다.
도 3을 참조하면, 다이아몬드(310) 내 질소-빈자리 중심에서 여기 상태(120)에서 기저 상태(110)로 되돌아오면서 광자를 방출할 때, 방출된 광자는 임의의 방향으로 진행하게 된다. 그리고 다이아몬드(310)의 경계를 만날 때, 입사각이 일정한 각도 이내가 아니면 전반사되어 다시 다이아몬드(310) 내로 되돌아오게 된다. 다이아몬드의 굴절률은 2.4이고 다이아몬드 외부의 공기의 굴절률이 1이면 입사각이 24.6도보다 크면 광자는 다이아몬드(310) 밖으로 방출되지 못하고 다시 안으로 들어오게 된다. 따라서, 방출되는 광자의 극히 일부만이 다이아몬드(310) 밖으로 방출될 수 있어. 실제 센서 시스템(200)에서의 검출 감도가 낮을 수 있다.
본원 발명은 도 3과 같은 상황을 극복하고 더 많은 광자들이 다이아몬드(310)에 방출되도록 하기 위하여 다양한 방법을 제안한다.
도 4는 사다리꼴 형태로 가공된 다이아몬드(410)에서의 광자 방출 예를 도시한 도면이다.
도 4를 참조하면, 다이아몬드(410)가 사다리꼴 형태로 가공된 경우, 광자가 처음 표면과 만나서 다이아몬드(410) 밖으로 방출되지 않더라도, 옆면과 만나서 내부에서 반사되면서 최종적으로는 광자가 다이아몬드(410) 밖으로 방출될 수 있음을 도시하고 있다. 따라서, 직사각형 형상의 다이아몬드(310)보다 사다리꼴 형상의 다이아몬드(410)가 더 많은 광자를 방출할 수 있다.
도 5는 고 굴절률 반구 렌즈(510)를 다이아몬드(310)에 접합한 경우의 광자 방출 예를 도시한 도면이다.
도 5를 참조하면, 다이아몬드(310)의 일면에 고 굴절률 반구 렌즈(예: 굴절률 2.0이상)(510)를 부착하면, 입사각이 56.5도보다 작으면 다이아몬드(31)에서 반구 렌즈(510)로 광자가 방출될 수 있다. 그리고 반구 렌즈(510)로 방출된 광자는 도 5에 도시된 바와 같이 거의 모두 공기 중으로 방출될 수 있다. 따라서, 다이아몬드(310)에 고 굴절률을 가지는 반구 렌즈(510)를 접합함으로써 다이아몬드에서 방출되는 광자의 양을 증가시킬 수 있다.
도 6은 고 굴절률 반구 렌즈(630) 및 필터(610)를 사다리꼴 형태로 가공된 다이아몬드(620)에 접합한 경우의 광자 방출 예를 도시한 도면이다.
도 6을 참조하면, 도 4 및 도 5에 설명한 바와 같이 단순히 직사각형 형태의 다이아몬드보다 더 많은 형태의 광자가 다이아몬드(620) 외부로 방출될 수 있다. 이에 더하여 고 굴절률 반구 렌즈(630)가 부착된 면의 반대면에 필터(610)를 부착할 수 있다. 필터(610)는 다이아몬드(620)에서 방출되는 광자가 가지는 파장 대역(예: 적색광 주파수 대역)은 통과시키지 않는 특성을 가질 수 있다. 그러면, 다이아몬드 질소-빈자리 중심에서 임의의 방향으로 방출되는 광자가 필터(610)를 만나는 경우 통과되지 못하고 반사되어 고 굴절률 반구 렌즈(630) 쪽으로 방출될 수 있다.
이처럼 종래의 사각형의 다이아몬드에 반구 렌즈 추가, 필터 추가, 사다리꼴 형상으로 가공과 같은 방안을 추가함으로써 방출되는 광자의 양을 늘리고, 그 결과로 광 검출기에서 수득하는 광자의 양이 증가됨에 따라 센서의 감도를 향상시킬 수 있다.
도 7은 다양한 실시 예들에 따른 DNV 센서(700) 구조를 도시한 도면이다.
다양한 실시 예들에 따른 DNV 센서(700)는 도 6에 도시된 다이아몬드에서 방출하는 광자의 양을 늘리기 위한 방안을 적용하고 있다.
도 7을 참조하면, DNV 센서(700)는 다이아몬드(620), 다이아몬드(620)에 접합되어 있는 반구 렌즈(630), 다이아몬드(620)의 반구 렌즈(630)가 접합된 면의 반대면에 접합된 제1 필터(610), 원통 또는 각기둥 형상의 거울(70), 제2 필터(750) 및 광 검출기(760)를 포함할 수 있다.
여기서 원통 또는 각기둥 형상의 거울(740) 내부의 일 끝부분에는 제1 필터(610), 다이아몬드(620), 반구 렌즈(630)가 구비되고, 원통 또는 각기둥 형상의 거울(740)의 타 끝부분에는 제2 필터(750) 및 광 검출기(760)가 구비될 수 있다. 따라서, 거울(740)은 다이아몬드(620)에서 방출된 광자를 반사하여, 이 광자가 제2 필터(750)를 거쳐 광 검출기(760)에 도달하도록 하는 가이드 기능을 수행할 수 있다.
제1 필터(610)는 다이아몬드에서 방출된 광자가 반구 렌즈(630)가 접합된 면의 반대면으로 나가려는 경우, 반사되도록 설정하여 광자가 다이아몬드로 되돌아가 반구 렌즈(630) 쪽으로 방출되도록 하는 기능을 수행할 수 있다. 예를 들면 제1 필터(610)는 적색광에 해당하는 파장을 가진 광자는 통과시키지 않을 수 있다.
제2 필터(750)는 다이아몬드에서 방출된 적색광에 해당하는 파장을 가진 광자만을 통과시켜 광 검출기(760)로 전달하고, 광원(예: 도 2의 광원(220))에 의해 DNV 센서(700)로 입사된 녹색광에 해당하는 파장 및 그 외 다른 파장을 가진 광자는 통과시키지 않도록 할 수 있다.
도 2에 도시된 센서 시스템의 마이크로파 소스(210) 및 광원(220)은 원통 또는 각기둥 형상의 거울(740)의 다이아몬드(620)가 있는 외곽에 배치되어 다이아몬드(620)에 마이크로파 및 여기 에너지를 제공할 수 있다.
광학 시뮬레이션 결과, 도 7에 도시된 DNV 센서를 이용하는 경우 다이아몬드 질소-빈자리 중심에서 방출되는 광의 31.32%가 광 검출기에 도달하는 것을 확인하였다. 반면에 종래의 평판 다이아몬드를 사용하는 구조에서는 8.83%만이 광 검출기에 도달하는 것을 확인하였다. 따라서 본 발명에서 제안하는 DNV 센서는 종래의 센서에 비해 3.5배 이상의 광을 더 포집할 수 있고, 그 결과 센서의 감도를 더욱 향상시킬 수 있다.
다양한 실시 예들에 따르면, 다이아몬드 질소-빈자리 중심(diamond nitrogen-vacancy center, DNV) 센서는 원통 또는 각기둥 형상의 거울, 상기 거울의 일측의 내부에 구비되는 제1 필터, 다이아몬드, 반구 렌즈, 상기 거울의 반대편 일측에서 상기 거울에 부착되는 제2 필터 및 광 검출기를 포함하고, 상기 제1 필터, 상기 다이아몬드 및 상기 반구 렌즈는 상기 다이아몬드를 가운데 두고 접합되고, 상기 제1 필터는 상기 다이아몬드 질소-빈자리 중심이 여기 상태에서 기저 상태로 돌아오면서 방출하는 광자가 가지는 파장 대역을 통과시키지 않는 필터이고, 상기 반구 렌즈는 상기 다이아몬드의 굴절률에 가까운 굴절률을 가질 수 있다.
다양한 실시 예들에 따르면, 상기 다이아몬드는 사다리꼴 평판 형상으로 가공될 수 있다.
다양한 실시 예들에 따르면, 상기 제1 필터는 532nm 파장의 광은 통과시키고, 630 내지 900nm 파장 영역의 광은 반사시킬 수 있고, 상기 제2 필터는 630 내지 900nm 파장 영역의 광만을 통과시킬 수 있다.
다양한 실시 예들에 따르면, 상기 반구 렌즈는 2.0 이상의 굴절률을 가지는 물질로 만들어질 수 있다.
다양한 실시 예들에 따르면, 상기 반구 렌즈와 접합되는 상기 다이아몬드 표면은 경계면 특성을 최소화하기 위해 연마될 수 있다.
다양한 실시 예들에 따르면, 다이아몬드 질소-빈자리 중심(diamond nitrogen-vacancy center, DNV) 센서 시스템은 제1항 내지 제5항 중의 하나에 따른 DNV 센서, 상기 DNV 센서의 다이아몬드 질소-빈자리 중심을 기저 상태에서 여기 상태로 여기 시키기 위한 광을 주입하는 광원(예: 도 2의 광원(220)) 및 상기 DNV 센서의 다이아몬드의 기저 상태에서 스핀 상태(ms=0)의 질소-빈자리 중심을 스핀 상태(ms=+1)의 질소-빈자리 중심 또는 스핀 상태(ms=-1)의 질소-빈자리 중심으로 여기시키는 마이크로파 소스(예: 도 2의 마이크로파 소스(210))를 포함할 수 있다.
상술한 바와 같이 본원 발명은 DNV 센서에서 광 검출기에서의 감도를 향상시키기 위한 다양한 방법을 제안하고 있다. 본 발명에서 제안하는 방법들은 다이아몬드 질소-빈자리 중심이 여기 상태(120)에서 기저 상태(110)로 되돌아오면서 방출하는 광자들이 다이아몬드 밖으로 더 많이 방출할 수 있도록 하고 있다. 이로 인하여 더 많은 광자들이 광 검출기에 도달할 수 있고, DNV 센서의 감도를 향상시킬 수 있다.

Claims (6)

  1. 다이아몬드 질소-빈자리 중심(diamond nitrogen-vacancy center, DNV) 센서에 있어서,
    원통 또는 각기둥 형상의 거울;
    상기 거울의 일측의 내부에 구비되는 제1 필터, 다이아몬드, 반구 렌즈;
    상기 거울의 반대편 일측에서 상기 거울에 부착되는 제2 필터 및 광 검출기를 포함하고,
    상기 제1 필터, 상기 다이아몬드 및 상기 반구 렌즈는 상기 다이아몬드를 가운데 두고 접합되고,
    상기 제1 필터는 상기 다이아몬드 질소-빈자리 중심이 여기 상태에서 기저 상태로 돌아오면서 방출하는 광자가 가지는 파장 대역을 통과시키지 않는 필터이고,
    상기 반구 렌즈는 상기 다이아몬드의 굴절률에 가까운 굴절률을 가지는 DNV 센서.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 다이아몬드는 사다리꼴 평판 형상으로 가공되는, DNV 센서.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1 필터는 532nm 파장의 광은 통과시키고, 630 내지 900nm 파장 영역의 광은 반사시키고,
    상기 제2 필터는 630 내지 900nm 파장 영역의 광만을 통과시키는, DNV 센서.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 반구 렌즈는 2.0 이상의 굴절률을 가지는 물질로 만들어진, DNV 센서.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 반구 렌즈와 접합되는 상기 다이아몬드 표면은 경계면 특성을 최소화하기 위해 연마되는, DNV 센서.
  6. 다이아몬드 질소-빈자리 중심(diamond nitrogen-vacancy center, DNV) 센서 시스템에 있어서,
    제1항 내지 제5항 중의 하나에 따른 DNV 센서;
    상기 DNV 센서의 다이아몬드 질소-빈자리 중심을 기저 상태에서 여기 상태로 여기 시키기 위한 광을 주입하는 광원; 및
    상기 DNV 센서의 다이아몬드의 기저 상태에서 스핀 상태(ms=0)의 질소-빈자리 중심을 스핀 상태(ms=+1)의 질소-빈자리 중심 또는 스핀 상태(ms=-1)의 질소-빈자리 중심으로 여기시키는 마이크로파 소스를 포함하는, DNV 센서 시스템.
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