RU2617194C1

RU2617194C1 - Optical quantum thermometer

Info

Publication number: RU2617194C1
Application number: RU2015151250A
Authority: RU
Inventors: Андрей Николаевич Анисимов; Виктор Андреевич Солтамов; Марина Викторовна Музафарова; Иван Владимирович Ильин; Роман Андреевич Бабунц; Павел Георгиевич Баранов
Priority date: 2015-12-01
Filing date: 2015-12-01
Publication date: 2017-04-21

Abstract

FIELD: physics, instrumentation.

SUBSTANCE: invention refers to the field of optical measurement and concerns optical quantum thermometer. The thermometer includes a low frequency (LF) generator, a capacitor, an electromagnet coil, active material in the form of silicon carbide crystal placed inside the coil and containing at least one spin center based on a silicon vacancy with the excited quadruplet spin state S = 3/2, a DC source, a synchronous detector, a control unit, a laser and a photodetector. The laser provides emission in the near infrared area and is optically coupled with the active material through the semitransparent mirror, mirror and lens. The photodetector is optically coupled with the active material through the lens, mirror, semitransparent mirror and semitransparent filter. The LF generator is connected via the capacitor to the electromagnet coil, to which the DC source output is also connected.

EFFECT: invention provides device simplification and possibilities of operation in the transparency band of biological objects without application of ultrahigh frequency radiation.

5 cl, 5 dwg

Description

Изобретение относится к нанотехнологиям и может быть использовано в области разработки материалов на основе карбида кремния для создания микро- и наноразмерных сенсоров для магнитометрии, термометрии, 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 development of materials based on silicon carbide to create micro- and nanoscale sensors for magnetometry, thermometry, quantum optics, biomedicine, as well as in information technologies based on the quantum properties of spins and single photons.

Измерение слабых температурных 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. Датчик, способный измерять локальную температуру на расстояниях микро- и нанометров от источника нагревания, найдет широкие приложения в химии и биологии. Возможность отслеживать изменения на уровне суб-Кельвина в большом диапазоне температур может обеспечить понимание органических и неорганических систем, получить принципиально новую информацию о процессах, приводящих к тепловыделению, например, при обмене энергии в опухолях или в интегральных схемах. Ряд подходов, которые в настоящее время применяют в таких исследованиях, включают в себя сканирующую зондовую микроскопию, спектроскопию комбинационного рассеяния света и измерения флуоресценции на основе использования наночастиц и органических красителей. Эти методы, однако, часто ограничены комбинацией низкой чувствительности, бионесовместимости или систематических ошибок вследствие деградации используемых сенсоров.The measurement of weak temperature 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. A sensor capable of measuring local temperature at distances of micro- and nanometers from a heating source will find wide applications in chemistry and biology. The ability to track changes at the sub-Kelvin level over a wide range of temperatures can provide an understanding of organic and inorganic systems, obtain fundamentally new information about the processes that lead to heat generation, for example, when energy is exchanged in tumors or in integrated circuits. A number of approaches currently used in such studies include scanning probe microscopy, Raman spectroscopy, and fluorescence measurements using nanoparticles and organic dyes. These methods, however, are often limited to a combination of low sensitivity, biocompatibility, or bias due to degradation of the sensors used.

После открытия излучающих свойств NV центров в алмазе, позволяющих оптически детектировать магнитный резонанс в основном состоянии NV центров при комнатной температуре и регистрировать магнитный резонанс 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 термометров для измерения температур 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, будем называть эти центры «спиновыми центрами». Принцип термометрии с активными спиновыми центрами основан на оптическом детектировании магнитного резонанса (ОДМР), так как параметры спектров магнитного резонанса зависят от температуры.After the discovery of the emitting properties of NV centers in diamond, which make it possible to optically detect magnetic resonance in the ground state of NV centers at room temperature and record 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 thermometers for measuring temperatures with nanoscale 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 atom (N), has a ground triplet spin state, the populations of the spin levels of which are selectively populated by optical radiation, we will call these centers spin centers. " The principle of thermometry with active spin centers is based on optical magnetic resonance detection (ODMR), since the parameters of the magnetic resonance spectra depend on temperature.

Известен оптический квантовый термометр (см. заявка WO 2014165505, МПК G01K 7/32, опубликована 09.10.2014), включающий активный материал на основе алмаза, содержащего электронную спиновую систему, в виде, по меньшей мере, одного NV центра, имеющего зависящее от температуры расщепление тонкой структуры в основном состоянии; оптический источник фотонов, поляризующий электронную спиновую систему и возбуждающий фотолюминесценцию; источник СВЧ излучения, предназначенный для воздействия на электронное спиновое состояние; детектор фотолюминесценции. Известный оптический квантовый термометр работает по принципу определения частоты СВЧ излучения, возбуждающего оптически детектируемый магнитный резонанс (ОДМР) в системе спиновых центров на основе NV центров для определения расщепления тонкой структуры, которое зависит от температуры, и последующего определения температуры путем использования уравнений для зависимостей расщепления тонкой структуры от температуры, а также исключения из этих зависимостей воздействия магнитных, электрических полей и напряжений в алмазе.A known optical quantum thermometer (see application WO 2014165505, IPC G01K 7/32, published 09/10/2014), comprising an active material based on diamond containing an electronic spin system in the form of at least one NV center having a temperature-dependent the splitting of the fine structure in the ground state; an optical photon source that polarizes the electron spin system and excites photoluminescence; microwave radiation source designed to affect the electronic spin state; photoluminescence detector. The well-known optical quantum thermometer works by the principle of determining the frequency of microwave radiation exciting an optically detectable magnetic resonance (ODMR) in a system of spin centers based on NV centers to determine the splitting of the fine structure, which depends on temperature, and then determining the temperature by using equations for the dependences of the fine splitting structures on temperature, as well as the exclusion from these dependences of the effects of magnetic, electric fields and stresses in diamond.

Известный оптический квантовый термометр позволяет обнаружить изменение температуры вплоть до разрешения милли-Кельвина, на микро- и нанометровых расстояниях. Известный оптический квантовый термометр является биологически совместимым и может быть использован для изучения тепловыделяющих внутриклеточных процессов. Он может быть интегрирован в живые системы и является мощным инструментом для многих областей биологических исследований, в том числе температуры индуцированного контроля генов и лечения клеточно-селективных заболеваний.The well-known optical quantum thermometer allows you to detect temperature changes up to the resolution of milli-Kelvin, at micro and nanometer distances. Known optical quantum thermometer is biocompatible and can be used to study heat-generating intracellular processes. It can be integrated into living systems and is a powerful tool for many areas of biological research, including temperature-induced gene control and the treatment of cell-selective diseases.

Недостатками известного термометра является использование алмазов с NV центрами в качестве активного материала для измерения температуры, технология получения которого, чрезвычайно дорогостоящая и относительно слабо развита. Кроме того, в известном устройстве используют оптический диапазон в видимой области, который плохо совмещается с волоконной оптикой на основе кремния, а также с полосой прозрачности биологических систем. В известном оптическом квантовом термометре необходимо использовать сравнительно мощное СВЧ излучение, что усложняет его, создает дополнительные шумы и нагревает исследуемый объект. Расщепление тонкой структуры для NV центров в алмазе существенно зависит от напряжений в кристалле алмаза и локальных магнитных и электрических полей, причем величины этих воздействий на расщепление тонкой структуры сравнимы или больше эффектов, обусловленных воздействием температуры, что понижает точность измерений температуры и требует дополнительных усилий для исключения этих эффектов.The disadvantages of the known thermometer is the use of diamonds with NV centers as an active material for measuring temperature, the production technology of which is extremely expensive and relatively poorly developed. In addition, the known device uses the optical range in the visible region, which is poorly compatible with silicon-based fiber optics, as well as with the transparency band of biological systems. In the known optical quantum thermometer, it is necessary to use a relatively powerful microwave radiation, which complicates it, creates additional noise and heats the object under study. The splitting of the fine structure for NV centers in diamond substantially depends on the stresses in the diamond crystal and local magnetic and electric fields, and the magnitudes of these effects on the splitting of the fine structure are comparable or greater than the effects caused by the temperature, which reduces the accuracy of temperature measurements and requires additional efforts to eliminate these effects.

Известен оптический квантовый термометр (см. заявка WO 2013188732, МПК G01R-019/00, опубликована 19.12.2013), включающий активный материал на основе алмаза, содержащего электронную спиновую систему, в виде, по меньшей мере, одного NV центра, имеющего зависящее от температуры расщепление тонкой структуры в основном состоянии; оптический источник фотонов, поляризующий электронную спиновую систему и возбуждающий фотолюминесценцию; источник СВЧ излучения, предназначенный для воздействия на электронное спиновое состояние; детектор фотолюминесценции, Известный оптический квантовый термометр работает по принципу, совпадающему с предыдущим известным квантовым термометром.A known optical quantum thermometer (see application WO 2013188732, IPC G01R-019/00, published December 19, 2013), comprising an active material based on diamond containing an electronic spin system, in the form of at least one NV center, which depends on temperature splitting of the fine structure in the ground state; an optical photon source that polarizes the electron spin system and excites photoluminescence; microwave radiation source designed to affect the electronic spin state; photoluminescence detector, The well-known optical quantum thermometer operates on the principle that coincides with the previous known quantum thermometer.

Известный оптический квантовый термометр позволяет обнаружить изменение температуры вплоть до разрешения милли-Кельвина, на микро- и нанометровых расстояниях. Однако этому термометру присущи те же недостатки, что оптическому квантовому термометру, раскрытому в заявке WO 2014165505.The well-known optical quantum thermometer allows you to detect temperature changes up to the resolution of milli-Kelvin, at micro and nanometer distances. However, this thermometer has the same drawbacks as the optical quantum thermometer disclosed in WO 2014165505.

Известен оптический квантовый термометр (см. заявка WO 2014210486, МПК С30В-029/04 G01N-021/64 G02B-003/00 H01S-003/14, опубликована 31.12.2014) включающий активный материал на основе алмаза, содержащего электронную спиновую систему, в виде, по меньшей мере, одного NV центра, имеющего зависящее от температуры расщепление тонкой структуры в основном состоянии; оптический источник фотонов, источник СВЧ излучения и детектор фотолюминесценции.A known optical quantum thermometer (see application WO 2014210486, IPC C30B-029/04 G01N-021/64 G02B-003/00 H01S-003/14, published December 31, 2014) comprising an active material based on diamond containing an electronic spin system, in the form of at least one NV center having a temperature-dependent splitting of the fine structure in the ground state; optical photon source, microwave radiation source and photoluminescence detector.

Известный квантовый термометр имеет недостаточную точность измерения температуры, входящий в состав термометра источник СВЧ излучения создает дополнительные шумы и нагревает исследуемый объект.The well-known quantum thermometer has insufficient accuracy of temperature measurement, the microwave radiation source included in the thermometer creates additional noise and heats the investigated object.

Известен оптический квантовый термометр, использующий спиновые центры на основе вакансии кремния с квадруплетным возбужденным состоянием в карбиде кремния (SiC) (см. H. Kraus, V.A. 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), совпадающий с настоящим решением по наибольшему числу существенных признаков и принятый за прототип. Спиновые центры на основе вакансии кремния с возбужденными квадруплетными спиновыми состояниями S=3/2 представляют собой отрицательно-заряженную вакансию кремния (V_Si) со спином S=3/2, взаимодействующую с нейтральной вакансией углерода (V_C), расположенной вдоль гексагональной кристаллографической оси (с - оси) относительно вакансии кремния и не имеющей молекулярной связи с вакансией кремния. Наличие физического эффекта оптического выстраивания спинов спиновых центров на основе вакансии кремния с возбужденными квадруплетными спиновыми состояниями S=3/2 при облучении кристалла карбида кремния ближним инфракрасным (ИК) светом в диапазоне температур 50-300 К позволяет наблюдать оптически детектируемый магнитный резонанс (ОДМР) в возбужденным состоянии спиновых центров вплоть до регистрации ОДМР на одиночных спиновых центрах на основе вакансии кремния. При оптическом возбуждении в ближнем ИК-диапазоне (750-850 нм) происходит выстраивание спинов спиновых центров на основе вакансии кремния с возбужденными квадруплетными спиновыми состояниями S=3/2, при этом создается неравновесное заполнение спиновых уровней. Расщепление тонкой структуры для возбужденных квадруплетных спиновых состояний S=3/2 резко зависит от температуры, и в известном устройстве было предложено использовать этот эффект для измерения локальных температур в месте оптического возбуждения спиновых центров путем регистрации ОДМР. Известный оптический квантовый термометр включает активный материал из карбида кремния, содержащего электронную спиновую систему, в виде вакансионных спиновых центров, имеющих зависящее от температуры расщепление тонкой структуры; оптический источник фотонов, источник ВЧ излучения, детектор фотолюминесценции. Известный оптический квантовый термометр работает по принципу определение частоты ВЧ излучения, возбуждающего оптически детектируемый магнитный резонанс (ОДМР) в системе спиновых центров для определения расщепления тонкой структуры, которое зависит от температуры, и последующее определение температуры путем использования градуировочной кривой зависимости расщепления тонкой структуры от температуры.A known optical quantum thermometer using spin centers based on a silicon vacancy with a quadruplet excited state in silicon carbide (SiC) (see H. Kraus, VA 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), which coincides with this solution for the largest number of essential features and is taken as a prototype. Spin centers based on a silicon vacancy with excited quadruplet spin states S = 3/2 are 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) relative to the silicon vacancy and not having a molecular bond with the silicon vacancy. The presence of the physical effect of optical alignment of the spins of spin centers based on a silicon vacancy with excited quadruplet spin states S = 3/2 upon irradiation of a silicon carbide crystal with near infrared (IR) light in the temperature range of 50-300 K allows us to observe optically detectable magnetic resonance (ODMR) in excited state of spin centers up to the detection of ODMR on single spin centers based on a silicon vacancy. Optical excitation in the near infrared range (750-850 nm) results in alignment of the spins of the spin centers based on a silicon vacancy with excited quadruplet spin states S = 3/2, which creates a nonequilibrium filling of the spin levels. The fine structure splitting for excited quadruplet spin states S = 3/2 depends sharply on temperature, and it was proposed in a known device to use this effect to measure local temperatures at the site of optical excitation of spin centers by detecting ODMR. Known optical quantum thermometer includes an active material of silicon carbide containing an electronic spin system, in the form of vacancy spin centers having a temperature-dependent splitting of the fine structure; optical photon source, RF source, photoluminescence detector. The well-known optical quantum thermometer works by the principle of determining the frequency of RF radiation exciting an optically detectable magnetic resonance (ODMR) in a system of spin centers to determine the fine structure splitting, which depends on temperature, and then determining the temperature by using a calibration curve of the dependence of the fine structure splitting on temperature.

Основным недостатком известного оптического квантового термометра является наличие высокочастотного блока в виде генератора ВЧ излучения, системы подачи ВЧ излучения на активный материал и системы регистрации ОДМР на частоте модуляции мощности ВЧ генератора. При этом возбуждаются помехи, создаваемые ВЧ генератором, а также происходит нагревание активного материала и объекта исследования ВЧ излучением.The main disadvantage of the known optical quantum thermometer is the presence of a high-frequency unit in the form of an RF radiation generator, a system for supplying RF radiation to the active material, and an ODMR recording system at the frequency modulation power of the RF generator. In this case, the noise created by the RF generator is excited, and the active material and the object of study of the RF radiation are heated.

Задачей настоящего изобретения является разработка такого оптического квантового термометра, который бы был более простым и дешевым в изготовлении, использовал оптический диапазон совместимый с волоконной оптикой и полосой прозрачности биологических объектов, не требовал бы использования СВЧ излучения.The present invention is the development of such an optical quantum thermometer, which would be simpler and cheaper to manufacture, used an optical range compatible with fiber optics and the transparency band of biological objects, would not require the use of microwave radiation.

Поставленная задача решается тем, что оптический квантовый термометр содержит генератор низкой частоты (НЧ), конденсатор, по меньшей мере, одну катушку электромагнита, активный материал виде кристалла карбида кремния, содержащего по меньшей мере один спиновый центр на основе вакансии кремния с возбужденным квадруплетным состоянием S=3/2, помещенный внутрь катушки, источник постоянного тока, синхронный детектор, блок управления, лазер, излучающий в ближней инфракрасной области и фотоприемник. Лазер оптически связан с активным материалом через полупрозрачное зеркало, зеркало и объектив. Фотоприемник оптически соединен 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 quantum thermometer contains a low frequency (LF) generator, a capacitor, at least one electromagnet coil, the active material in the form of a silicon carbide crystal containing at least one spin center based on a silicon vacancy with an excited quadruplet state S = 3/2, placed inside the coil, direct current source, synchronous detector, control unit, laser emitting in the near infrared region and a photodetector. The laser is optically coupled to the active material through a translucent mirror, mirror and lens. The photodetector is 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.

В настоящем оптическом квантовом термометре вместо оптического детектирования магнитного резонанса с использованием СВЧ применено физическое явление антипересечения спиновых уровней энергии спиновых центров, которое приводит к сильному изменению интенсивности фотолюминесценции в области магнитных полей, близких к значению точки перегиба антипересечения уровней (АПУ) энергии спиновых центров. При этом выбирают такие уровни спинового центра, точка пересечения которых в магнитном поле сильно зависит от температуры, что позволяет использовать этот эффект для определения локальной температуры в объеме карбида кремния, возбуждаемым лазерным излучением.In the present optical quantum thermometer, instead of the optical detection of magnetic resonance using microwave, the physical phenomenon of anti-intersection of the spin energy levels of the spin centers is used, which leads to a strong change in the photoluminescence intensity in the magnetic field region, which is close to the value of the inflection point of the anti-intersection of energy levels of the spin centers. In this case, the levels of the spin center are chosen whose intersection point in the magnetic field is strongly dependent on temperature, which allows using this effect to determine the local temperature in the volume of silicon carbide excited by laser radiation.

Новым в настоящем оптическом квантовом термометре является введение с состав оптического квантового термометра, источника постоянного тока и генератора НЧ, лазера, излучающего в ближней ИК области, а также подключение катушки электромагнита к источнику постоянного тока и генератору НЧ.New in this optical quantum thermometer is the introduction of the composition of an optical quantum thermometer, a direct current source and an LF generator, a laser emitting in the near IR region, as well as connecting an electromagnet coil to a direct current source and an LF generator.

Активный материал в виде кристалла карбида кремния, содержащего спиновые центры, может быть размещен на сканирующем столике конфокального микроскопа с пьезоэлементом, способным осуществлять возвратно-поступательное перемещение в трех взаимно перпендикулярных направлениях.The active material in the form of a silicon carbide crystal containing spin centers can be placed on the 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, содержащего спиновые центры. Наноразмерный кристалл карбида кремния может быть помещен на зонд атомно-силового микроскопа или на зонд микроскопа ближнего поля, а также непосредственно внедрен в биологический объект, например в клетку.The active material can be made in the form of a nanoscale crystal of silicon carbide containing spin centers. 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, and also directly embedded in a biological object, for example, in a cell.

Настоящий оптический квантовый термометр поясняется чертежами, представленными с целью иллюстрации, но не для ограничения, где:The present optical quantum thermometer is illustrated by drawings, presented for the purpose of illustration, but not for limitation, where:

на фиг. 1 приведена блок-схема настоящего оптического квантового термометра;in FIG. 1 is a block diagram of a true optical quantum thermometer;

на фиг. 2 схематически показан в аксонометрии узел оптического микроскопа со сканирующим столиком, на котором помещен активный материал в виде кристалла карбида кремния со спиновыми центрами, ФЛ - фотолюминесценция, возбуждаемая лазером через объектив микроскопа;in FIG. 2 is a schematic perspective view of an optical microscope assembly with a scanning table on which active material is placed in the form of a silicon carbide crystal with spin centers, PL - photoluminescence excited by a laser through a microscope objective;

на фиг. 3 приведена градуировочная кривая зависимости положения АПУ энергии спиновых центров в постоянном магнитном поле, зарегистрированная по изменению фотолюминесценции в области АПУ для возбужденного квадруплетного состояния спинового центра в политипе карбида кремния 4H-SiC от температуры;in FIG. Figure 3 shows a calibration curve of the temperature dependence of the position of the APA of the energy of spin centers in a constant magnetic field, recorded by the change in photoluminescence in the region of the APA for the excited quadruplet state of the spin center in the 4H-SiC silicon carbide polytype;

на фиг. 4 показаны изменения интенсивности фотолюминесценции в области АПУ спиновых центров на основе вакансии кремния с возбужденным квадруплетным спиновым состоянием S=3/2, кристалла карбида кремния политипа 4H-SiC в зависимости от величины постоянного магнитного поля для двух температур (1 и 2); ΔΒ - расстояние между двумя положениями АПУ в магнитном поле, ΔΤ - сдвиг по температурам между двумя измерениями.in FIG. Figure 4 shows the changes in the photoluminescence intensity in the region of the APA of spin centers based on a silicon vacancy with an excited quadruplet spin state S = 3/2, a silicon carbide crystal of the 4H-SiC polytype depending on the constant magnetic field for two temperatures (1 and 2); ΔΒ is the distance between the two positions of the APU in a magnetic field, ΔΤ is the temperature shift between the two measurements.

на фиг. 5 схематически изображен в аксонометрии узел оптического микроскопа со сканирующим столиком, на котором помещен исследуемый объект, и с зондом, на котором установлен нанокристалл карбида кремния со спиновыми центрами, показанными условно, ФЛ - фотолюминесценция, возбуждаемая лазером через объектив микроскопа.in FIG. Figure 5 is a schematic perspective view of an optical microscope assembly with a scanning table on which the test object is placed and with a probe on which a silicon carbide nanocrystal with spin centers conventionally mounted is installed; PL is the photoluminescence excited by a laser through a microscope objective.

Настоящий оптический квантовый термометр (см. фиг. 1 и фиг. 2) содержит генератор низкой частоты (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 возбужденным квадруплетным спиновым состоянием S=3/2, находящиеся вблизи поверхности кристалла, источник 6 постоянного тока (ИПТ) для питания катушки 3 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, 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 фотоэлектронного умножителя (ФЭУ) или фотодиода, и блок управления (БУ) 17. Л 10 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 возбужденным квадруплетным спиновым состоянием S=3/2, может осуществляться с помощью стандартного конфокального микроскопа, если требуется 2D или 3D сканирование малого оптически возбуждаемого объема (вплоть до 0,3 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 возбужденным квадруплетным спиновым состоянием S=3/2, 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 возбужденным квадруплетным спиновым состоянием S=3/2, возбуждение происходит сфокусированным лучом лазера 10, сканирование будет 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 возбужденным квадруплетным спиновым состоянием S=3/2.The present optical quantum thermometer (see Fig. 1 and Fig. 2) contains a low frequency generator (LFO) 1, a capacitor 2, an electromagnet coil 3 for modulating a magnetic field and for creating a constant magnetic field, the active material 4 in the form of a silicon carbide crystal, containing spin centers 5 based on a silicon vacancy with an excited quadruplet spin state S = 3/2, located near the crystal surface, a direct current source (IPT) 6 for powering an electromagnet coil 3, a lens 7, a scanning stage 8 of a confocal micros a cop with a piezoelectric element 9, capable of reciprocating in three mutually perpendicular directions under the action of control voltages of the piezoelectric element 9, a laser (L) 10, emitting light in the near infrared region of 750-900 nm, a translucent mirror 11 and a mirror 12, a filter 13, a lens 14, a synchronous detector (SD) 15, a photodetector (FP) 16, made, for example, in the form of a photomultiplier tube (PMT) or a photodiode, and a control unit (BU) 17. L 10 is optically coupled to the active material 4 through a translucent mirror 11 mirrors Lo 12 and lens 7. FP 16 is optically connected to the active material 4 through lens 7, mirror 12, translucent mirror 11 and filter 13 and lens 14. The first output of the LFO 1 through a capacitor 2 is connected to an electromagnet coil 3, to which an IPT output is also connected 6. The second output of the LFO 1 is connected to the first input of the LED 15, the second input of the LED 15 is connected to the output of the FP 16, the output of the LED 15 is connected to the input of the control unit 17, the output of the control unit 17 is connected to the input of the IPT 6. The test sample 18 is placed on the active during measurements 4. Optical excitation and detection of spin luminescence. of new centers 5 based on a silicon vacancy with an excited quadruplet spin state S = 3/2, can be performed using a standard confocal microscope if 2D or 3D scanning of a small optically excited volume (up to 0.3 μm) is required. It is also possible to use STED (stimulated emission depletion microscopy) technology - (Willig, KI, Rizzoli, SO, Westphal, V., Jahn, R., Hell, SW: STED microscopy reveals that synaptotagmin remains clustered after synaptic vesicle exocytosis. Nature 440, 935-939, 2006), where the optically excited and radiated volume of the active material 4 can be limited up to several nm. Active material 4 in the form of a silicon carbide crystal cut out in the form of a plate with a plane perpendicular to the hexagonal crystallographic axis c (the standard form for silicon carbide plates) containing spin centers 5 based on a silicon vacancy with an excited quadruplet spin state S = 3/2, located near the surface of the plate of the active material 4, placed on a scanning table 8 with a piezoelectric element 9, capable of reciprocating in three mutually perpendicular directions (f of 2). In this case, the region of the active material 4 with spin centers 5 is based on a silicon vacancy with an excited quadruplet spin state S = 3/2, the excitation occurs with a focused laser beam 10, the scan will be in a plane perpendicular to the laser beam. The active material 4 can be made in the form of a nanoscale crystal of silicon carbide containing spin centers 5 based on a silicon vacancy with an excited quadruplet spin state S = 3/2.

Настоящий оптический квантовый термометр работает следующим образом.A true optical quantum thermometer works as follows.

Предварительно строят экспериментальную градуировочную кривую зависимости величины магнитного поля по точкам перегиба антипересечения уровней (АПУ) энергии спиновых центров (СЦ) с возбужденным квадруплетным спиновым состоянием S=3/2, содержащихся в кристалле карбида кремния гексагонального или ромбического политипа от температуры. С этой целью переменный ток от ГНЧ 1 подают через конденсатор 2 на катушку 3 электромагнита, создавая вокруг активного материала 4, например, SiC-6Н или SiC-4H, переменное магнитное поле. Для получения постоянной компоненты магнитного поля (смещения) на катушку 3 электромагнита подают постоянное напряжение от ИПТ 6. Все вышеперечисленное дает возможность получить отдельно переменное или постоянное магнитные поля, 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 возбужденным квадруплетным спиновым состоянием S=3/2, 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 расположены в тесном контакте с исследуемым образцом 18, распределение локальных температурных 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 фотоприемник 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 квантовый термометр 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 синхронный детектор 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. После этого в области изменения интенсивности люминесценции снимают кривые зависимости изменения интенсивности люминесценции от величины постоянного магнитного поля для разных фиксированных температур и строят градуировочную кривую в виде зависимости положения точки перегиба антипересечения уровней (АПУ) возбужденного квадруплетного состояния S=3/2 спиновых центров для каждого политипа карбида кремния. Пример такой зависимости для спиновых центров в политипе 4H-SiC показан на Фиг. 3. Затем кривую зависимости изменения интенсивности люминесценции от величины постоянного магнитного поля снимают при помещении исследуемого образца 18 на активный материал 4 (см. кривая 1 на Фиг. 4), определяют величину магнитного поля в месте АПУ, соответствующему значению точки перегиба АПУ изменения люминесценции возбуждаемой в объеме фокуса лазерного излучения Л 10. Затем с помощью градуировочной кривой (Фиг. 3) определяют температуру исследуемого образца. При проведении измерений градиента температуры в исследуемом образце 18, производят пространственное сканирование исследуемого образца 18 в поперечной лазерному излучению Л 10 плоскости и измеряют величину магнитного поля в месте АПУ в каждой точке сканирования, затем по градуировочной кривой определяют температуру в этих точках, строят график пространственного распределения локальных температурных полей в исследуемом образце 18 и вычисляют градиент температурных полей.Preliminarily, an experimental calibration curve is plotted of the magnetic field magnitude from the inflection points of the level crossing antiferroinsection (AAP) of the energy of spin centers (SCs) with the excited quadruplet spin state S = 3/2 contained in a silicon carbide crystal of a hexagonal or rhombic polytype as a function of temperature. For this purpose, alternating current from the LFO 1 is supplied through a capacitor 2 to an electromagnet coil 3, creating an alternating magnetic field around the active material 4, for example, SiC-6H or SiC-4H. To obtain a constant component of the magnetic field (bias) to the coil 3 of the electromagnet, a constant voltage is supplied from the IPT 6. All of the above makes it possible to obtain separately variable or constant magnetic fields, and their combinations, while using the same coil 3 of the electromagnet, which eliminates mismatch of the directions of alternating and constant magnetic fields. Modulation of the magnetic field allows the use of synchronous detection to record the magnetic response of the signal in the form of a derivative. Optical pumping is carried out by L 10 (for example, with a wavelength of 795 or 805 nm), the radiation of which is directed by a translucent mirror 11 and mirror 12 and focused on the active material 4 using a microscope objective 7. Using the beam L 10 focused by the lens 7, an excited volume of active material 4 (silicon carbide crystal) is extracted that is close to the upper surface of the active material 4 and contains spin centers 5 based on a silicon vacancy with an excited quadruplet spin state S = 3/2, conditionally shown in FIG. 2. This allocated volume, which can be reduced to a transverse diameter of 0.3 μm using confocal optics, and using the stimulated emission depletion microscopy STED method to nanometer sizes, is in a thin layer of spin centers 5 in the active material 4, which are located in close contact with the test sample 18, the distribution of local temperature fields in which it is supposed to be measured. The luminescent radiation of the spin centers 5 through the same lens 7 and the mirror 12 and the translucent mirror 11 enters the light filter 13, which cuts off the laser radiation, and then, using the lens 14, focuses on the photodetector FP 16. Three-coordinate (capable of reciprocating movement in three mutually perpendicular to the directions) a scanning stage 8 with a piezoelectric element 9 allows accurate focusing of laser radiation on the active material 4, as well as scan both in the XY plane and in the XZ planes YZ and, thus, precisely adjust the optical quantum thermometer when working with active material 4 with a low concentration of spin centers 5. The signal from FP 16, for example, in the form of a photomultiplier, photodiode or avalanche photodiode, is fed to the synchronous detector SD 15, which also the reference frequency from the LFO comes in 1. BU 17 sets the necessary values of the alternating and constant magnetic fields and registers the change in the photoluminescence at the moment of antisection of the spin levels from the output of the LED 15. After that, in the region of variation in the luminescent intensity The stations take the curves of the dependence of the change in the luminescence intensity on the constant magnetic field for different fixed temperatures and construct a calibration curve in the form of the dependence of the position of the inflection point of the level antirecross point (APA) of the excited quadruplet state S = 3/2 of the spin centers for each silicon carbide polytype. An example of such a dependence for spin centers in the 4H-SiC polytype is shown in FIG. 3. Then, the curve of the dependence of the change in the luminescence intensity on the constant magnetic field is taken when the test sample 18 is placed on the active material 4 (see curve 1 in Fig. 4), the magnitude of the magnetic field at the AAP location is determined, which corresponds to the value of the inflection point of the APS of the excited luminescence in the volume of the focus of laser radiation L 10. Then, using the calibration curve (Fig. 3) determine the temperature of the test sample. When measuring the temperature gradient in the test sample 18, a spatial scan of the test sample 18 is made in the transverse laser radiation of the L 10 plane and the magnetic field is measured at the location of the AAP at each scanning point, then the temperature at these points is determined from the calibration curve, and the spatial distribution is plotted local temperature fields in the test sample 18 and calculate the gradient of the temperature fields.

Работа настоящего оптического квантового термометра 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 ФП 16 модулируются на первой гармонике с использованием синхронного детектирования.The operation of this optical quantum thermometer 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 FP signals 16 are modulated at the first harmonic using synchronous detection.

Настройка оптического квантового термометра с помощью подачи постоянного магнитного поля осуществляют таким образом, чтобы нулевой сигнал с СД 15 был в центре резонанса, обусловленного антипересечением уровней, и этот сигнал с СД 15 дал бы самый высокий отклик при изменении локального магнитного поля, обусловленный изменением локальной температуры.The optical quantum thermometer is tuned by applying a constant magnetic field so that the zero signal from LED 15 is at the center of the resonance caused by the level crossing, and this signal from LED 15 would give the highest response when the local magnetic field changes due to a change in the local temperature .

На фиг. 4 приведены первая и вторая кривые зависимостей изменения интенсивности люминесценции спиновых центров на основе вакансии кремния с возбужденным квадруплетным спиновым состоянием S=3/2, состоянием кристалла карбида кремния политипа 4H-SÎC от величины постоянного магнитного поля, зарегистрированные для разных локальных температур в двух точках. Измерения проводили по изменению интенсивности люминесценции в области 850-950 нм, возбуждаемой лазером, величина амплитуды модуляции магнитного поля 0,01 мТл, частота 80 Гц. Возможная точность определения локальных температур в пятне оптического возбуждения с диаметром порядка 0,3 мкм, достигаемого с помощью конфокального микроскопа, порядка 50 мК при времени измерения сигнала 1 с (50 мК√Гц).In FIG. Figure 4 shows the first and second curves of the dependence of the change in the luminescence intensity of spin centers based on a silicon vacancy with an excited quadruplet spin state S = 3/2, the state of the silicon carbide crystal of the 4H-SÎC polytype on the value of the constant magnetic field, recorded for different local temperatures at two points. The measurements were carried out 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, the frequency was 80 Hz. The possible accuracy of determining local temperatures in an optical excitation spot with a diameter of the order of 0.3 μm, achieved with a confocal microscope, is of the order of 50 mK for a signal measurement time of 1 s (50 mK Гц Hz).

Вариантом устройства является помещение на острие зонда 19 атомно-силового микроскопа нанокристалла карбида кремния со спиновыми центрами 20, как показано на фиг. 5. В этом варианте нанокристалл с помощью зонда помещают в область образца 18, в которой предполагается измерение локальной температуры. В виду высокой теплопроводности карбида кремния и его малых размеров температура карбида кремния с высокой точностью будет соответствовать локальной температуре в образце.A variant of the device is the placement on the tip of the probe 19 of an atomic force microscope of a silicon carbide nanocrystal with spin centers 20, as shown in FIG. 5. In this embodiment, the nanocrystal using a probe is placed in the region of the sample 18, in which it is supposed to measure local temperature. In view of the high thermal conductivity of silicon carbide and its small size, the temperature of silicon carbide with high accuracy will correspond to the local temperature in the sample.

Основным достоинством настоящего оптического квантового термометра является отсутствие высокочастотного блока в виде генератора ВЧ излучения, системы подачи ВЧ излучения на активный материал и системы регистрации ОДМР на частоте модуляции мощности ВЧ генератора. При этом исключаются помехи, создаваемые ВЧ генератором, а также нагревание активного материала и объекта исследования ВЧ излучением. Отсутствие ВЧ системы позволяет помещать активный материал на металлические подложки, а также изучать температурные поля в проводящих средах, включая живые системы.The main advantage of this optical quantum thermometer is the absence of a high-frequency unit in the form of an RF radiation generator, a system for supplying RF radiation to the active material, and an ODMR recording system at the frequency modulation power of the RF generator. This eliminates the interference caused by the RF generator, as well as the heating of the active material and the object of study of the RF radiation. The absence of an RF system allows the active material to be placed on metal substrates, as well as to study the temperature fields in conductive media, including living systems.

Claims

1. An optical quantum thermometer, including 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 an excited quadruplet spin state S = 3 / 2, placed inside the coil, direct current source, synchronous detector, control unit, laser emitting in the near infrared region, optically coupled to the active material through a translucent mirror, mirror and lens a lens, a photodetector optically connected to the active material through a lens, a mirror, a translucent mirror and a filter, the first output of the LF generator through a capacitor connected to the coil of an electromagnet, which also connects the output of a DC source, the second output of the LF 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 of which is connected to the input of the constant about current.

2. An optical quantum thermometer according to claim 1, characterized in that the active material is placed on a scanning table of a confocal microscope with a piezoelectric element capable of reciprocating in three mutually perpendicular directions.

3. The optical quantum thermometer according to claim 1, characterized in that the active material is made in the form of a nanoscale crystal of silicon carbide containing at least one of the mentioned spin center.

4. The optical quantum thermometer according to claim 3, characterized in that the active material in the form of a nanoscale crystal of silicon carbide is placed on a probe of an atomic force microscope.

5. The optical quantum thermometer according to claim 3, characterized in that the active material in the form of a nanoscale crystal of silicon carbide is placed on a near-field microscope probe.