RU2607840C1 - Optical magnetometer - Google Patents
Optical magnetometer Download PDFInfo
- Publication number
- RU2607840C1 RU2607840C1 RU2015135113A RU2015135113A RU2607840C1 RU 2607840 C1 RU2607840 C1 RU 2607840C1 RU 2015135113 A RU2015135113 A RU 2015135113A RU 2015135113 A RU2015135113 A RU 2015135113A RU 2607840 C1 RU2607840 C1 RU 2607840C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- active material
- optical
- magnetometer
- output
- silicon carbide
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
- G01R33/00—Arrangements or instruments for measuring magnetic variables
- G01R33/12—Measuring magnetic properties of articles or specimens of solids or fluids
- G01R33/1284—Spin resolved measurements; Influencing spins during measurements, e.g. in spintronics devices
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B82—NANOTECHNOLOGY
- B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
- B82Y35/00—Methods or apparatus for measurement or analysis of nanostructures
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N24/00—Investigating or analyzing materials by the use of nuclear magnetic resonance, electron paramagnetic resonance or other spin effects
- G01N24/006—Investigating or analyzing materials by the use of nuclear magnetic resonance, electron paramagnetic resonance or other spin effects using optical pumping
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Analytical Chemistry (AREA)
- Nanotechnology (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Optics & Photonics (AREA)
- High Energy & Nuclear Physics (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Biochemistry (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
- Immunology (AREA)
- Pathology (AREA)
- Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
- Investigating, Analyzing Materials By Fluorescence Or Luminescence (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к нанотехнологиям и может быть использовано в области разработки материалов на основе карбида кремния для магнитометрии, квантовой оптики, биомедицины, а также в информационных технологиях, основанных на квантовых свойствах спинов и одиночных фотонов.The invention relates to nanotechnology and can be used in the field of the development of materials based on silicon carbide for magnetometry, quantum optics, biomedicine, as well as in information technologies based on the quantum properties of spins and single photons.
Обнаружение слабых магнитных полей с высоким пространственным разрешением на уровне микро- и нанометров является важной проблемой в различных областях, начиная от фундаментальной физики и материаловедения до хранения данных и биомедицинской науки. Например, на расстоянии 10 нм, спин одного электрона создает магнитное поле около 1 мТл, и соответствующее поле одного протона несколько нТл. Датчик, способный обнаружить такие магнитные поля с нанометровым пространственным разрешением, найдет широкие приложения, начиная от обнаружения сигналов магнитного резонанса от отдельного электронного или ядерного спинов в сложных биологических молекулах, до считывания классических или квантовых битов информации, закодированной в электронной или ядерной спиновой памяти. Особую роль в магнитометрии играют оптические магнитометры.The detection of weak magnetic fields with high spatial resolution at the level of micro- and nanometers is an important problem in various fields, from fundamental physics and materials science to data storage and biomedical science. For example, at a distance of 10 nm, the spin of one electron creates a magnetic field of about 1 mT, and the corresponding field of one proton is several nT. A sensor capable of detecting such magnetic fields with nanometer spatial resolution will find wide applications ranging from the detection of magnetic resonance signals from individual electronic or nuclear spins in complex biological molecules to the reading of classical or quantum bits of information encoded in electronic or nuclear spin memory. A special role in magnetometry is played by optical magnetometers.
После открытия уникальных излучающих свойств NV центров в алмазе, позволяющих оптически детектировать магнитный резонанс в основном состоянии NV центров при комнатной температуре вплоть до регистрации магнитного резонанса на одиночных дефектах (см. A. Gruber, A. Drabenstedt, С. Tietz, L. Fleury, J. Wrachtrup, С. Von Borczyskowski. - Scanning Confocal Optical Microscopy and Magnetic Resonance on Single Defect Centers. - Science, v. 276, pp.-2012-2014, 1997,; J. Wrachtrup, F. Jelezko, Processing quantum information in diamond. - J. Phys.: Condens. Matter, v. 18, S807, 2006), появилась возможность создания оптических квантовых магнитометров для измерения магнитных полей с наноразмерным разрешением. NV центр, представляющий собой вакансию углерода (V), в ближайшей координационной сфере которой один из четырех атомов углерода заменен атомом азота (N), имеет основное триплетное спиновое состояние, населенности спиновых уровней которого селективно заселяются под действием оптического излучения. Принцип магнитометрии с NV центрами основан на оптическом детектировании магнитного резонанса (ОДМР) во внешнем магнитном поле, которое необходимо измерить.After the discovery of the unique emitting properties of NV centers in diamond, which allows optical detection of magnetic resonance in the ground state of NV centers at room temperature until the detection of magnetic resonance on single defects (see A. Gruber, A. Drabenstedt, C. Tietz, L. Fleury, J. Wrachtrup, C. Von Borczyskowski. - Scanning Confocal Optical Microscopy and Magnetic Resonance on Single Defect Centers. - Science, v. 276, pp. 2012-2014, 1997 ;; J. Wrachtrup, F. Jelezko, Processing quantum information in diamond. - J. Phys .: Condens. Matter, v. 18, S807, 2006), it became possible to create optical quantum magnetometers for measuring magnetic fields with nanoscale th resolution. The NV center, which is a carbon (V) vacancy, in the nearest coordination sphere of which one of the four carbon atoms is replaced by a nitrogen (N) atom, has a ground triplet spin state, the populations of the spin levels of which are selectively populated by optical radiation. The principle of magnetometry with NV centers is based on the optical detection of magnetic resonance (ODMR) in an external magnetic field, which must be measured.
Известен оптический магнитометр с использованием NV центров в алмазе, работающий при комнатной температуре (J.М. Taylor, P. Cappellaro, L. Childress, L. Jiang, D. Budker, P.R. Hemmer, A. Yacoby, R. Walsworth, and M.D. Lukin. - Nat. Phys. v. 4, 810, 2008), включающий генератор СВЧ, работающий в диапазоне 2,5-3,0 ГГц, генератор низкой частоты, модулирующий мощность генератора СВЧ, лазер с длиной волны 532 нм, фокусирующую оптическую систему в виде системы линз, зеркал и фильтров, систему регистрации в виде лавинного фотодиода, активный материал в виде наноразмерного кристалла алмаза с NV центрами (нанокристалла), помещенного на зонд атомно-силового микроскопа. Измерения магнитного поля производятся методом оптического детектирования магнитного резонанса (ОДМР) по интенсивности люминесценции, излучаемой NV центрами. Магнитное поле определяется путем измерения частоты магнитного резонанса, которая зависит от зеемановского сдвига спиновых уровней в магнитном поле.Known optical magnetometer using NV centers in diamond, operating at room temperature (J. M. Taylor, P. Cappellaro, L. Childress, L. Jiang, D. Budker, PR Hemmer, A. Yacoby, R. Walsworth, and MD Lukin. - Nat. Phys. V. 4, 810, 2008), including a microwave generator operating in the 2.5-3.0 GHz band, a low frequency generator, modulating microwave generator power, a laser with a wavelength of 532 nm, a focusing optical a system in the form of a system of lenses, mirrors and filters, a registration system in the form of an avalanche photodiode, an active material in the form of a nanoscale diamond crystal with NV centers (nanocrystal ) placed on a probe of an atomic force microscope. The magnetic field is measured by optical magnetic resonance detection (ODMR) using the luminescence intensity emitted by NV centers. The magnetic field is determined by measuring the frequency of magnetic resonance, which depends on the Zeeman shift of spin levels in a magnetic field.
Недостатками известного оптического магнитометра является использование дорогостоящего активного материала, технология получения относительно слабо развита. Кроме того, известный оптический магнитометр работает в видимой области оптического диапазона, который плохо совмещается с волоконной оптикой на основе кремния, а также с полосой прозрачности биологических систем. Использование генератора СВЧ излучения усложняет конструкцию, создает дополнительные шумы, а также приводит к нагреванию объекта исследования. Расщепление тонкой структуры NV центров сильно зависит от окружающей температуры, поэтому необходимы дополнительные устройства для погашения нежелательных температурных воздействий. Использование нанокристалла алмаза требует предварительного нахождения ориентации кристалла в пространстве для определения ориентации NV центров.The disadvantages of the known optical magnetometer is the use of expensive active material, the production technology is relatively poorly developed. In addition, the known optical magnetometer operates in the visible region of the optical range, which is poorly combined with silicon-based fiber optics, as well as with the transparency band of biological systems. The use of a microwave radiation generator complicates the design, creates additional noise, and also leads to heating of the object of study. The splitting of the fine structure of the NV centers is highly dependent on the ambient temperature; therefore, additional devices are needed to repay undesirable temperature effects. The use of a diamond nanocrystal requires preliminary determination of the crystal orientation in space in order to determine the orientation of the NV centers.
Известен оптический магнитометр, основанный на электронных спинах в твердотельной среде, таких как дефекты в кристаллах и полупроводниках, который использует отдельные электронные спины или электронные спиновые системы (см. патент US 8547090, МПК G01R 33/02, опубликован 01.10.2013), включающий генератор СВЧ излучения, с системой создания импульсных последовательностей СВЧ излучения, оптическую систему для сбора и передачи фотонов оптического излучения, активный материал в виде кристалла алмаза, включающего один или несколько NV центров, имеющих один или несколько электронных спинов, источник оптического излучения, например лазер, детектор. При высоких спиновых плотностях необходимы способы и системы для развязки электронных спинов друг от друга и от локальной среды. В магнитометре электронные спины контролируют путем применения к электронным спинам последовательности СВЧ импульсов, которые позволяют динамически уменьшить спин-спиновые взаимодействия и взаимодействия с решеткой.A known optical magnetometer based on electron spins in a solid-state medium, such as defects in crystals and semiconductors, which uses separate electron spins or electronic spin systems (see US Pat. No. 8547090, IPC G01R 33/02, published October 1, 2013), including a generator Microwave radiation, with a system for creating pulsed sequences of microwave radiation, an optical system for collecting and transmitting photons of optical radiation, an active material in the form of a diamond crystal, including one or more NV centers having one Do some of the electron spins, the source of optical radiation, for example laser detector. At high spin densities, methods and systems are needed to decouple electronic spins from each other and from the local medium. In a magnetometer, electronic spins are controlled by applying microwave pulses to electronic spins that dynamically reduce spin-spin interactions and interactions with the lattice.
Недостатками рассматриваемого оптического магнитометра является использование алмазов с NV центрами в качестве активного материала магнитометра, технология получения которого чрезвычайно дорогостоящая и относительно слабо развита. Кроме того, известный оптический магнитометр плохо совмещается с волоконной оптикой на основе кремния, а также с полосой прозрачности биологических систем. Использование генератора СВЧ излучения усложняет конструкцию, создает дополнительные шумы, а также приводит к нагреванию объекта исследования. В известном оптическом магнитометре необходимы дополнительные устройства для погашения нежелательных температурных воздействий.The disadvantages of the considered optical magnetometer are the use of diamonds with NV centers as the active material of the magnetometer, the technology for which is extremely expensive and relatively poorly developed. In addition, the known optical magnetometer is poorly combined with silicon-based fiber optics, as well as with the transparency band of biological systems. The use of a microwave radiation generator complicates the design, creates additional noise, and also leads to heating of the object of study. In the known optical magnetometer, additional devices are needed to repay unwanted temperature effects.
Известен оптический магнитометр на NV дефектах в алмазе (см. патент US 8947080, МПК G01R 33/02; G01R 33/00; G01V 3/08, опубликован 03.02.2015), совпадающий с настоящим решением по наибольшему числу существенных признаков и принятый за прототип. Оптический магнитометр-прототип включает генератор СВЧ излучения, блок модуляции СВЧ излучения, синхронный детектор, лазер с длиной волны 532 нм, фокусирующую оптическую систему в виде системы линз, зеркал и фильтров, фотоприемник в виде лавинного фотодиода, блок управления, активный материал в виде кристалла алмаза, содержащий по меньшей мере один спиновый NV центр, ось NV центра ориентирована вдоль одной из четырех <111> кристаллографических осей. Активный материал помещен внутрь катушки электромагнита для измерения магнитных полей, создаваемых протяженными или удаленными объектами. Измерения магнитного поля оптическим магнитометром-прототипом осуществляется методом оптического детектирования магнитного резонанса (ОДМР) по интенсивности люминесценции излучаемой NV центрами. Магнитное поле определяют путем измерения частоты магнитного резонанса, которая зависит от зеемановского сдвига спиновых уровней в магнитном поле.Known optical magnetometer on NV defects in diamond (see patent US 8947080, IPC G01R 33/02; G01R 33/00; G01V 3/08, published 02/03/2015), which coincides with this solution for the largest number of essential features and adopted as a prototype . The prototype optical magnetometer includes a microwave radiation generator, a microwave radiation modulation unit, a synchronous detector, a laser with a wavelength of 532 nm, a focusing optical system in the form of a system of lenses, mirrors and filters, a photodetector in the form of an avalanche photodiode, a control unit, an active material in the form of a crystal diamond containing at least one spin NV center, the axis of the NV center is oriented along one of the four <111> crystallographic axes. Active material is placed inside an electromagnet coil to measure the magnetic fields generated by extended or distant objects. The magnetic field is measured by an optical prototype magnetometer using the method of optical magnetic resonance detection (ODMR) by the luminescence intensity emitted by NV centers. The magnetic field is determined by measuring the frequency of magnetic resonance, which depends on the Zeeman shift of spin levels in a magnetic field.
Недостатками рассматриваемого оптического магнитометра является использование алмазов с NV центрами в качестве активного материала магнитометра, технология получения которого дорогостоящая и относительно слабо развита. Оптический магнитометр-прототип работает в видимой области оптического диапазона, который плохо совмещается с волоконной оптикой на основе кремния, а также с полосой прозрачности биологических систем. Применение генератора СВЧ-излучения усложняет конструкцию магнитометра, создает дополнительные шумы, а также приводит к нагреванию объекта исследования. Расщепление тонкой структуры NV центров сильно зависит от окружающей температуры, поэтому оптический магнитометр-прототип содержит дополнительные устройства для погашения нежелательных температурных воздействий.The disadvantages of the considered optical magnetometer is the use of diamonds with NV centers as the active material of the magnetometer, the production technology of which is expensive and relatively poorly developed. The prototype optical magnetometer works in the visible region of the optical range, which does not fit well with silicon-based fiber optics, as well as with the transparency band of biological systems. The use of a microwave radiation generator complicates the design of the magnetometer, creates additional noise, and also leads to heating of the object of study. The splitting of the fine structure of the NV centers is highly dependent on the ambient temperature; therefore, the prototype optical magnetometer contains additional devices to suppress undesirable temperature effects.
Задачей настоящего изобретения является разработка такого оптического магнитометра, который бы был более простым и дешевым в изготовлении, работал в оптическом диапазоне, совместимом с волоконной оптикой и полосой прозрачности биологических объектов.The present invention is the development of such an optical magnetometer, which would be simpler and cheaper to manufacture, worked in the optical range compatible with fiber optics and the transparency band of biological objects.
Поставленная задача решается тем, что оптический магнитометр включает генератор низкой частоты (НЧ), конденсатор, по меньшей мере одну катушку электромагнита, активный материал в виде кристалла карбида кремния, содержащий по меньшей мере один спиновый центр на основе вакансии кремния с основным квадрупольным состоянием, источник постоянного тока для питания катушки электромагнита постоянным током, синхронный детектор, блок управления, лазер, излучающий в ближней инфракрасной (ИК) области, оптически связанный через полупрозрачное зеркало, зеркало и объектив с активным материалом, фотоприемник, оптически соединенный с активным материалом через объектив, зеркало, полупрозрачное зеркало и светофильтр. Первый выход генератора НЧ через конденсатор соединен с катушкой электромагнита, к которой подключен также выход источника постоянного тока, второй выход генератора НЧ соединен с первым входом синхронного детектора, второй вход синхронного детектора подключен к выходу фотоприемника, выход синхронного детектора соединен с входом блока управления, выход которого подключен к входу источника постоянного тока.The problem is solved in that the optical magnetometer includes a low frequency generator (LF), a capacitor, at least one coil of an electromagnet, an active material in the form of a silicon carbide crystal, containing at least one spin center based on a silicon vacancy with a fundamental quadrupole state, source direct current for powering the electromagnet coil with direct current, synchronous detector, control unit, laser emitting in the near infrared (IR) region, optically coupled through a translucent mirror A mirror, a lens and an active material lens, a photodetector optically connected to the active material through a lens, a mirror, a translucent mirror, and a light filter. The first output of the low-frequency generator through a capacitor is connected to an electromagnet coil, to which the DC output is also connected, the second output of the low-frequency generator is connected to the first input of the synchronous detector, the second input of the synchronous detector is connected to the output of the photodetector, the output of the synchronous detector is connected to the input of the control unit, the output which is connected to the input of a DC source.
Активный материал может быть размещен на сканирующем столике конфокального микроскопа с пьезоэлементом, способным осуществлять возвратно-поступательное перемещение в трех взаимно перпендикулярных направлениях.The active material can be placed on a scanning table of a confocal microscope with a piezoelectric element capable of reciprocating movement in three mutually perpendicular directions.
Активный материал может быть выполнен в виде наноразмерного кристалла карбида кремния. Наноразмерный кристалл карбида кремния может быть помещен на зонд атомно-силового микроскопа или на зонд микроскопа ближнего поля.The active material can be made in the form of a nanoscale crystal of silicon carbide. A nanosized crystal of silicon carbide can be placed on a probe of an atomic force microscope or on a probe of a near-field microscope.
Новым в настоящем оптическом магнитометре является выполнение активного материала в виде кристалла карбида кремния, содержащего по меньшей мере один спиновый центр на основе вакансии кремния с основным квадрупольным состоянием; введение с состав магнитометра источника постоянного тока и генератора НЧ, подключенных к катушке электромагнита, а также замена лазера видимого света на лазер, излучающий в ближней ИК- области.New in the present optical magnetometer is the implementation of the active material in the form of a silicon carbide crystal containing at least one spin center based on a silicon vacancy with the ground quadrupole state; introducing from the composition of the magnetometer a direct current source and an LF generator connected to an electromagnet coil, as well as replacing a visible laser with a laser emitting in the near infrared region.
В настоящем оптическом магнитометре вместо оптического детектирования магнитного резонанса с использованием СВЧ-излучения применяется физическое явление антипересечения спиновых уровней в спиновых центрах на основе вакансии кремния с основным квадрупольным состоянием, которое приводит к сильному изменению интенсивности люминесценции в области магнитных полей, близких к точке пересечения спиновых уровней.In the present optical magnetometer, instead of optical detection of magnetic resonance using microwave radiation, the physical phenomenon of antisection of spin levels in spin centers based on a silicon vacancy with the ground quadrupole state is used, which leads to a strong change in the luminescence intensity in the region of magnetic fields close to the intersection point of spin levels .
Спиновые центры на основе вакансии кремния с квадрупольным основным состоянием в карбиде кремния (SiC) известны (см. H. Kraus, V.А. Soltamov, F. Fuchs, D. Simin, A. Sperlich, P.G. Baranov, G.V. Astakhov, V. Dyakonov; Magnetic field and temperature sensing with atomic-scale spin defects in silicon carbide, Scientific Reports, 2014). Наличие физического эффекта оптического выстраивания спинов спиновых центров на основе вакансии кремния с основным квадрупольным состоянием при облучении кристалла карбида кремния ближним инфракрасным (ИК) светом при комнатной температуре позволяет оптически регистрировать магнитный резонанс в основном состоянии спиновых центров при комнатной температуре вплоть до регистрации магнитного резонанса на одиночных спиновых центрах на основе вакансии кремния. Оси ансамбля спиновых центров на основе вакансии кремния с квадрупольным основным состоянием в карбиде кремния ориентированы вдоль гексагональной кристаллографической оси с, в отличие от ансамбля NV центров в алмазе, в котором оси NV центров ориентированы вдоль одной из четырех <111> кристаллографических осей. Спиновый центр на основе вакансии кремния с квадруплетным основным состоянием представляет собой отрицательно-заряженную вакансию кремния (VSi -) со спином S=3/2, взаимодействующую с нейтральной вакансией углерода (VC°), расположенной вдоль гексагональной кристаллографической оси (с - оси) относительно вакансии кремния и не имеющей молекулярной связи с вакансией кремния. При оптическом возбуждении в ближнем ИК-диапазоне (750-850 нм) происходит выстраивание спинов спиновых центров на основе вакансии кремния с основным квадрупленым состоянием, при этом создается неравновесное заполнение спиновых уровней.Spin centers based on a silicon vacancy with a quadrupole ground state in silicon carbide (SiC) are known (see H. Kraus, V. A. Soltamov, F. Fuchs, D. Simin, A. Sperlich, PG Baranov, GV Astakhov, V. Dyakonov; Magnetic field and temperature sensing with atomic-scale spin defects in silicon carbide, Scientific Reports, 2014). The presence of the physical effect of optical alignment of the spins of spin centers based on a silicon vacancy with a ground quadrupole state when a silicon carbide crystal is irradiated with near infrared (IR) light at room temperature makes it possible to optically record magnetic resonance in the ground state of spin centers at room temperature, up to recording magnetic resonance on single spin centers based on a silicon vacancy. The axes of the ensemble of spin centers based on a silicon vacancy with a quadrupole ground state in silicon carbide are oriented along the hexagonal crystallographic axis c, in contrast to the ensemble of NV centers in diamond, in which the axis of the NV centers are oriented along one of the four <111> crystallographic axes. The spin center based on a silicon vacancy with a quadruplet ground state is a negatively charged silicon vacancy (V Si - ) with spin S = 3/2, interacting with a neutral carbon vacancy (V C °) located along the hexagonal crystallographic axis (c - axis ) with respect to the silicon vacancy and not having a molecular bond with the silicon vacancy. Optical excitation in the near infrared range (750–850 nm) results in alignment of the spins of the spin centers on the basis of a silicon vacancy with the ground quadruple state, which creates a nonequilibrium filling of the spin levels.
Настоящее техническое решение поясняется чертежами,This technical solution is illustrated by drawings,
где на фиг. 1 приведена блок-схема настоящего оптического магнитометра; where in FIG. 1 is a block diagram of a true optical magnetometer;
на фиг. 2 схематически показан в аксонометрии узел оптического микроскопа со сканирующим столиком (ФЛ - фотолюминесценция);in FIG. 2 is a schematic perspective view of an optical microscope assembly with a scanning table (PL - photoluminescence);
на фиг. 3 приведены кривые зависимостей интенсивности люминесценции спиновых центров на основе вакансии кремния с основным квадруплетным состоянием кристалла карбида кремния политипа 6Н-SiC от величины постоянного магнитного поля (19 - в отсутствии исследуемого образца; 20 - в присутствии исследуемого образца, магнитное поле которого измеряют; ΔВ - измеренное магнитное поле исследуемого образца).in FIG. Figure 3 shows the curves of the dependences of the luminescence intensity of spin centers based on a silicon vacancy with the main quadruplet state of a silicon carbide crystal of the 6H-SiC polytype on the value of the constant magnetic field (19 - in the absence of the test sample; 20 - in the presence of the test sample, the magnetic field of which is measured; ΔВ - measured magnetic field of the test sample).
Настоящий оптический магнитометр (см. фиг. 1, фиг. 2) содержит генератор НЧ (ГНЧ) 1, конденсатор 2, катушку 3 электромагнита для модуляции магнитного поля и для создания постоянного магнитного поля, активный материал 4 в виде кристалла карбида кремния, содержащий спиновые центры 5 на основе вакансии кремния с основным квадрупольным состоянием, источник 6 постоянного тока (ИПТ) для питания катушки электромагнита, объектив 7, сканирующий столик 8 конфокального микроскопа с пьезоэлементом 9, способный осуществлять возвратно-поступательное перемещение в трех взаимно перпендикулярных направлениях под действием управляющих напряжений пьезоэлемента 9, на котором расположен активный материал 4, содержащий спиновые центры 5 на основе вакансии кремния с основным квадруплетным состоянием, находящиеся вблизи поверхности кристалла, лазер (Л) 10, излучающий свет в ближней инфракрасной области 750-900 нм, полупрозрачное зеркало 11 и зеркало 12, светофильтр 13, линзу 14, синхронный детектор (СД) 15, фотоприемник (ФП) 16, выполненный, например, в виде ФЭУ или фотодиода, и блок управления (БУ) 17. Л10 оптически связан с активным материалом 4 через полупрозрачное зеркало 11, зеркало 12 и объектив 7. ФП 16 оптически соединен с активным материалом 4 через объектив 7, зеркало 12, полупрозрачное зеркало 11 и светофильтр 13 и линзу 14. Первый выход ГНЧ 1 через конденсатор 2 соединен с катушкой 3 электромагнита, к которой подключен также выход ИПТ 6. Второй выход ГНЧ 1 соединен с первым входом СД 15, второй вход СД 15 подключен к выходу ФП 16, выход СД 15 соединен с входом БУ 17, выход БУ 17 подключен к входу ИПТ 6. Исследуемый образец 18 во время измерений располагают на активном материале 4. Оптическое возбуждение и регистрация люминесценции спиновых центров 5 на основе вакансии кремния с основным квадрупольным состоянием может осуществляться с помощью стандартного конфокального микроскопа, если требуется 2D или 3D сканирование малого оптически возбуждаемого объема (вплоть до 0,2 мкм). Возможно также применение технологии STED (stimulated emission depletion microscopy) - (Willig, K.I., Rizzoli, S.O., Westphal, V., Jahn, R., Hell, S.W.: STED microscopy reveals that synaptotagmin remains clustered after synaptic vesicle exocytosis. Nature 440, 935-939, 2006), где оптически возбуждаемый и излучаемый объем активного материала 4 может быть ограничен вплоть до нескольких нм. Активный материал 4 в виде кристалла карбида кремния, вырезанного в виде пластины с плоскостью, перпендикулярной гексагональной кристаллографической оси с (стандартная форма для пластин карбида кремния), содержащий спиновые центры 5 на основе вакансии кремния с основным квадрупольным состоянием, находящиеся вблизи поверхности пластины активного материала 4, размещают на сканирующем столике 8 с пьезоэлементом 9, способным осуществлять возвратно-поступательное перемещение в трех взаимно перпендикулярных направлениях (фиг. 2). В этом случае область активного материала 4 со спиновыми центрами 5 на основе вакансии кремния с основным квадрупольным состоянием, возбуждаемая сфокусированным лучом лазера 10, будет сканироваться в плоскости, перпендикулярной лазерному лучу. Активный материал 4 может быть выполнен в виде наноразмерного кристалла карбида кремния, содержащего спиновые центры 5 на основе вакансии кремния с основным квадрупольным состоянием.The present optical magnetometer (see Fig. 1, Fig. 2) contains an LF generator (LFO) 1, a
Настоящий оптический магнитометр работает следующим образом.This optical magnetometer operates as follows.
Переменный ток от ГНЧ 1 подают через конденсатор 2 на катушку 3 электромагнита, создавая вокруг активного материала 4 и исследуемого образца 18 переменное магнитное поле. Для получения постоянной компоненты магнитного поля (смещения) на катушку 3 электромагнита подают постоянное напряжение от ИПТ 6. Это дает возможность получения как отдельно переменного или постоянного магнитных полей, так и их сочетания, при этом используют одну и ту же катушку 3 электромагнита, что исключает несовпадение направлений переменного и постоянного магнитных полей. Модуляция магнитного поля позволяет использовать синхронное детектирование для регистрации магнитного отклика сигнала в виде производной. Оптическую накачку осуществляют Л 10 (например, с длиной волны 795 или 805 нм), излучение которого направляют полупрозрачным зеркалом 11 и зеркалом 12 и фокусируют на активный материал 4 при помощи объектива 7 микроскопа. С помощью луча Л 10, фокусируемого объективом 7, выделяют возбуждаемый объем активного материала 4 (кристалла карбида кремния), близкий к верхней поверхности активного материала 4 и содержащий спиновые центры 5 на основе вакансии кремния с основным квадрупольным состоянием, условно показанные на фиг. 2. Этот выделенный объем, который при использовании конфокальной оптики может быть уменьшен до поперечного диаметра 0,3 мкм, а с помощью методики подавления спонтанного испускания (stimulated emission depletion microscopy STED) до нанометровых размеров, находится в тонком слое спиновых центров 5 в активном материале 4, которые располагаются в тесном контакте с исследуемым образцом 18, распределение локальных магнитных полей в котором предполагается измерить. Люминесцентное излучение спиновых центров 5 через тот же объектив 7 и зеркало 12 и полупрозрачное зеркало 11 поступает на светофильтр 13, который отсекает лазерное излучение, и затем при помощи линзы 14 фокусируется на ФП 16. Трехкоординатный (способный осуществлять возвратно-поступательное перемещение в трех взаимно перпендикулярных направлениях) сканирующий столик 8 с пьезоэлементом 9 позволяет осуществить точную фокусировку излучения лазера на активном материале 4, а также сканировать как в плоскости XY, так и в плоскостях XZ или YZ и таким образом прецизионно настраивать оптический магнитометр при работе с активном материалом 4 с малой концентрацией спиновых центров 5. Сигнал с ФП 16, например, в виде ФЭУ, фотодиода или лавинного фотодиода подают на СД 15, на который также поступает опорная частота от ГНЧ 1. БУ 17 задает необходимые значения переменного и постоянного магнитного полей и регистрирует изменение фотолюминесценции в момент антипересечения спиновых уровней с выхода СД 15. В области изменения интенсивности люминесценции снимают первую кривую зависимости интенсивности люминесценции от величины постоянного магнитного поля. Затем описанные выше операции выполняют с помещением исследуемого образца 18 на активный материал 4, в области изменения интенсивности люминесценции снимают вторую кривую зависимости интенсивности люминесценции от величины постоянного магнитного поля. Определяют величину магнитного поля, создаваемого исследуемым образцом 18 в точке фокуса лазерного излучения Л 10 по величине горизонтального сдвига второй кривой относительно первой кривой. При проведении измерений градиента магнитного поля в исследуемом образце 18 производят пространственное сканирование исследуемого образца 18 в поперечной лазерному излучению Л 10 плоскости и измеряют величину постоянного магнитного поля в каждой точке сканирования. Затем строят график пространственного распределения локальных магнитных полей в исследуемом образце 18 и вычисляют градиент магнитных полей.Alternating current from the
Работа настоящего оптического магнитометра осуществляется с использованием синхронного детектирования, при этом используют осциллирующее магнитное поле с низкой частотой модуляции в диапазоне от десятков герц до десятков килогерц, амплитуда модуляции может изменяться в зависимости от ширины сигналов от 0,01 мТл до 0,1 мТл, и в результате сигналы ФД 16 модулируются на первой гармонике с использованием синхронного детектирования.The operation of this optical magnetometer is carried out using synchronous detection, using an oscillating magnetic field with a low modulation frequency in the range from tens of hertz to tens of kilohertz, the modulation amplitude can vary depending on the signal width from 0.01 mTl to 0.1 mT, and as a result, the
Настройка оптического магнитометра с помощью подачи постоянного магнитного поля осуществлялась таким образом, чтобы нулевой сигнал с СД 15 был в центре резонанса, обусловленного антипересечением магнитных уровней, и этот сигнал с СД 15 дал бы самый высокий магнитный отклик при изменении локального магнитного поля.The optical magnetometer was tuned by applying a constant magnetic field in such a way that the zero signal from
На фиг. 3 приведены первая и вторая кривые зависимостей интенсивности люминесценции спиновых центров на основе вакансии кремния с основным квадрупольным состоянием кристалла карбида кремния политипа 6H-SiC от величины постоянного магнитного поля. Измерения проводили при комнатной температуре по изменению интенсивности люминесценции в области 850-950 нм, возбуждаемой лазером, величина амплитуды модуляции магнитного поля 0,01 мТл, частота 80 Гц. Возможная величина определения локальных магнитных полей в пятне оптического возбуждения с диаметром порядка 0,3 мкм, достигаемого с помощью конфокального микроскопа, порядка 500 нТл при времени измерения сигнала 1 с (500 нТл√Гц).In FIG. Figure 3 shows the first and second curves of the dependence of the luminescence intensity of spin centers based on a silicon vacancy with the ground quadrupole state of a silicon carbide crystal of the 6H-SiC polytype on the value of the constant magnetic field. The measurements were carried out at room temperature by changing the luminescence intensity in the region of 850-950 nm excited by a laser, the magnitude of the magnetic field modulation amplitude was 0.01 mT, and the frequency was 80 Hz. The possible value of determining local magnetic fields in an optical excitation spot with a diameter of about 0.3 μm, achieved with a confocal microscope, is about 500 nT with a signal measurement time of 1 s (500 nT / Hz).
Основным достоинством настоящего магнитометра является отсутствие высокочастотного блока в виде генератора СВЧ-излучения, системы подачи СВЧ-излучения на активный материал и системы регистрации ОДМР на частоте модуляции мощности СВЧ генератора. При этом исключаются помехи, создаваемые СВЧ генератором, а также нагревание активного материала и объекта исследования СВЧ-излучением. Отсутствие СВЧ системы позволяет помещать активный материал на металлические подложки, а также изучать магнитные поля в проводящих средах.The main advantage of this magnetometer is the absence of a high-frequency unit in the form of a microwave radiation generator, a system for supplying microwave radiation to the active material, and an ODMR registration system at the frequency modulation power of the microwave generator. This eliminates the interference caused by the microwave generator, as well as the heating of the active material and the object of study by microwave radiation. The absence of a microwave system allows you to place the active material on metal substrates, as well as to study magnetic fields in conductive media.
Claims (5)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2015135113A RU2607840C1 (en) | 2015-08-19 | 2015-08-19 | Optical magnetometer |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2015135113A RU2607840C1 (en) | 2015-08-19 | 2015-08-19 | Optical magnetometer |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2607840C1 true RU2607840C1 (en) | 2017-01-20 |
Family
ID=58456063
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2015135113A RU2607840C1 (en) | 2015-08-19 | 2015-08-19 | Optical magnetometer |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2607840C1 (en) |
Cited By (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2691774C1 (en) * | 2018-06-28 | 2019-06-18 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук | Optical magnetometer |
RU2691775C1 (en) * | 2018-06-28 | 2019-06-18 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук | Optical magnetometer |
WO2021067587A1 (en) * | 2019-10-02 | 2021-04-08 | X Development Llc | Magnetometry based on electron spin defects |
RU2776466C1 (en) * | 2021-11-01 | 2022-07-21 | Федеральное государственное бюджетное научное учреждение "Федеральный исследовательский центр Институт прикладной физики Российской академии наук" (ИПФ РАН) | Optical magnetometer |
Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
SU1235325A1 (en) * | 1984-08-01 | 1987-12-07 | Физико-технический институт им.А.Ф.Иоффе | Method of registering electron paramagnetic resonance signals in solid body |
US8947080B2 (en) * | 2007-12-03 | 2015-02-03 | President And Fellows Of Harvard College | High sensitivity solid state magnetometer |
US20150192532A1 (en) * | 2014-01-08 | 2015-07-09 | Massachusetts Institute Of Technology | Methods and apparatus for optically detecting magnetic resonance |
-
2015
- 2015-08-19 RU RU2015135113A patent/RU2607840C1/en active
Patent Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
SU1235325A1 (en) * | 1984-08-01 | 1987-12-07 | Физико-технический институт им.А.Ф.Иоффе | Method of registering electron paramagnetic resonance signals in solid body |
US8947080B2 (en) * | 2007-12-03 | 2015-02-03 | President And Fellows Of Harvard College | High sensitivity solid state magnetometer |
US20150192532A1 (en) * | 2014-01-08 | 2015-07-09 | Massachusetts Institute Of Technology | Methods and apparatus for optically detecting magnetic resonance |
Non-Patent Citations (1)
Title |
---|
H. Kraus и др. "Magnetic field and temperature sensing with atomic-scale spin defects in silicon carbide", SCIENTIFIC REPORTS, No.4, 2014 г., стр.5303-1 - 5303-8. * |
Cited By (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2691774C1 (en) * | 2018-06-28 | 2019-06-18 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук | Optical magnetometer |
RU2691775C1 (en) * | 2018-06-28 | 2019-06-18 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук | Optical magnetometer |
WO2021067587A1 (en) * | 2019-10-02 | 2021-04-08 | X Development Llc | Magnetometry based on electron spin defects |
US11733321B2 (en) | 2019-10-02 | 2023-08-22 | X Development Llc | Magnetometry based on electron spin defects |
RU2776466C1 (en) * | 2021-11-01 | 2022-07-21 | Федеральное государственное бюджетное научное учреждение "Федеральный исследовательский центр Институт прикладной физики Российской академии наук" (ИПФ РАН) | Optical magnetometer |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US11448676B2 (en) | Spin-based electrometry with solid-state defects | |
CN109143121B (en) | Microwave field quantitative test system and method based on pulse modulation | |
US8904561B2 (en) | Mechanical detection of Raman resonance | |
EP2837930A1 (en) | Method for detecting the magnitude of a magnetic field gradient | |
US10762954B2 (en) | Quantum metrology and quantum memory using defect sates with spin-3/2 or higher half-spin multiplets | |
RU2483316C1 (en) | Method for optical detection of magnetic resonance and apparatus for realising said method | |
RU2607840C1 (en) | Optical magnetometer | |
Chatzidrosos et al. | Fiberized diamond-based vector magnetometers | |
RU2601734C1 (en) | Method of measuring magnetic field | |
WO2019095102A1 (en) | Quantum sensor using rare earth ion doped optical crystal and use thereof | |
RU2691775C1 (en) | Optical magnetometer | |
Backlund et al. | Diamond-based magnetic imaging with fourier optical processing | |
RU2617293C1 (en) | Method of measuring temperature | |
CN114114096A (en) | Microwave-free diamond NV color center magnetometer based on magnetic flux collector | |
JP2022553161A (en) | Processes, devices and systems for measuring measured variables | |
Anisimov et al. | Physical foundations of an application of scanning probe with spin centers in SiC for the submicron quantum probing of magnetic fields and temperatures | |
RU2691774C1 (en) | Optical magnetometer | |
RU2617194C1 (en) | Optical quantum thermometer | |
RU2695593C1 (en) | Method of measuring magnetic field | |
RU2691766C1 (en) | Method of measuring temperature | |
Anisimov et al. | An optical quantum magnetometer with submicron resolution based on the level anticrossing phenomenon | |
Babunts et al. | Diagnostics of NV defect structure orientation in diamond using optically detected magnetic resonance with a modulated magnetic field | |
RU2776466C1 (en) | Optical magnetometer | |
Lekavicius et al. | Magnetometry Based on Silicon-Vacancy Centers in Isotopically Purified 4 H-SiC | |
Sti | Building a Combined Brightfield and Confocal Quantum Diamond Microscope for Imaging of Magnetic Samples |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
TK4A | Correction to the publication in the bulletin (patent) |
Free format text: AMENDMENT TO CHAPTER -FG4A- IN JOURNAL: 02-2017 FOR TAG: (45) |