RU2654967C1 - Method of measuring the characteristics of the magnetic field - Google Patents

Method of measuring the characteristics of the magnetic field Download PDF

Info

Publication number
RU2654967C1
RU2654967C1 RU2017115396A RU2017115396A RU2654967C1 RU 2654967 C1 RU2654967 C1 RU 2654967C1 RU 2017115396 A RU2017115396 A RU 2017115396A RU 2017115396 A RU2017115396 A RU 2017115396A RU 2654967 C1 RU2654967 C1 RU 2654967C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
magnetic field
centers
measured
crystal
diamond
Prior art date
Application number
RU2017115396A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Ринат Абдулхаевич Ахмеджанов
Лев Анатольевич Гущин
Илья Владимирович Зеленский
Владимир Алексеевич Низов
Николай Алексеевич Низов
Дмитрий Андреевич Собгайда
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное научное учреждение "Федеральный исследовательский центр Институт прикладной физики Российской академии наук" (ИПФ РАН)
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное бюджетное научное учреждение "Федеральный исследовательский центр Институт прикладной физики Российской академии наук" (ИПФ РАН) filed Critical Федеральное государственное бюджетное научное учреждение "Федеральный исследовательский центр Институт прикладной физики Российской академии наук" (ИПФ РАН)
Priority to RU2017115396A priority Critical patent/RU2654967C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2654967C1 publication Critical patent/RU2654967C1/en

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R33/00—Arrangements or instruments for measuring magnetic variables
    • G01R33/02—Measuring direction or magnitude of magnetic fields or magnetic flux

Abstract

FIELD: measuring equipment.
SUBSTANCE: invention relates to the field of measurement technology and relates to a method for measuring the characteristics of a magnetic field. Method includes placing a diamond crystal with NV centers in the region of the measured magnetic field, directing the electromagnetic band of the optical band to the crystal, leading to spin polarization of the NV centers, and recording the fluorescence signal. In addition, an alternating magnetic field oriented in a predetermined direction is applied to said crystal at least once, the dependence of the fluorescence signal on the magnitude of the variable magnetic field for each direction of this field is measured. On the obtained dependence, the positions of the resonances corresponding to the coincidence of the transition frequencies between the ground-state sublevels pertaining to different groups of NV centers are recorded. According to the positions of the resonances determine the characteristics of the measured magnetic field.
EFFECT: technical result consists in simplifying the method and making it possible to carry out measurements without the use of microwave radiation and strong permanent magnetic fields.
4 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к способам измерения характеристик магнитного поля и может быть использовано при создании и эксплуатации магнитных датчиков и магнитометров.The invention relates to methods for measuring the characteristics of a magnetic field and can be used in the creation and operation of magnetic sensors and magnetometers.

Измерение характеристик магнитного поля является актуальной задачей для самых различных областей деятельности, от геологоразведки и археологии до биологии и медицины.Measuring the characteristics of a magnetic field is an urgent task for a wide variety of fields of activity, from exploration and archeology to biology and medicine.

Существует большое количество различных способов измерения характеристик магнитного поля. Одним из наиболее перспективных, сочетающих высокую чувствительность и высокое пространственное разрешение, считается способ с использованием электронных спиновых систем в твердотельных образцах, например NV-центров в алмазе, известный из патента US 8947080 «High sensitivity solid state magnetometer» (пп. 4, 9 формулы), МПК G01R 33/02, публ. 03.02.2015. Особенностями NV-центров (nitrogen-vacancy centers) является то, что их электронные спины могут быть поляризованы в определенном состоянии с помощью оптического излучения, в том числе при комнатной температуре, легко манипулируются микроволновым излучением, кроме того, интенсивность флюоресценции зависит от степени спиновой поляризации NV-центра. В указанном способе на электронную спиновую систему внутри твердотельного образца воздействуют оптическим излучением и некоторым внешним воздействием, которым может быть, в частности, радиочастотное излучение, а в случае NV-центров - микроволновое излучение (см. пп. 4, 9 пат. US 8947080), таким образом, чтобы вызвать прецессию электронного спина NV-центров вокруг направления измеряемого магнитного поля. Измеряют частоту этой прецессии, которая линейно зависит от измеряемого магнитного поля вследствие Зеемановского сдвига уровней энергии электронной спиновой системы. По величине Зеемановского сдвига определяют характеристики измеряемого магнитного поля.There are many different ways to measure magnetic field characteristics. One of the most promising, combining high sensitivity and high spatial resolution, is considered to be a method using electronic spin systems in solid samples, for example, NV centers in diamond, known from US 8947080 patent "High sensitivity solid state magnetometer" (claims 4, 9 of the formula ), IPC G01R 33/02, publ. 02/03/2015. The peculiarity of NV centers (nitrogen-vacancy centers) is that their electron spins can be polarized in a certain state using optical radiation, including at room temperature, they are easily manipulated by microwave radiation, in addition, the fluorescence intensity depends on the degree of spin polarization NV center. In this method, the electronic spin system inside the solid-state sample is exposed to optical radiation and some external action, which may be, in particular, radio-frequency radiation, and in the case of NV centers, microwave radiation (see paragraphs 4, 9 of US Pat. No. 8947080). , so as to cause the precession of the electron spin of the NV centers around the direction of the measured magnetic field. The frequency of this precession is measured, which linearly depends on the measured magnetic field due to the Zeeman shift of the energy levels of the electron spin system. The Zeeman shift determines the characteristics of the measured magnetic field.

Недостатком этого способа является использование наряду с оптическим излучением внешнего управляющего воздействия, в частности, в случае NV-центров - микроволнового излучения. Источник микроволнового излучения усложняет конструкцию, использование микроволнового излучения ограничивает область применимости способа, т.к. в ряде случаев его использование может быть затруднено или может приводить к нежелательным воздействиям на объект исследования.The disadvantage of this method is the use along with optical radiation of an external control action, in particular, in the case of NV centers, microwave radiation. The microwave radiation source complicates the design, the use of microwave radiation limits the scope of the method, because in some cases, its use may be difficult or may lead to undesirable effects on the object of study.

Наиболее близким аналогом по технической сущности к предлагаемому способу является способ измерения характеристик магнитного поля, основанный на эффекте антипересечения подуровней основного состояния NV-центров в алмазе, который выбран в качестве прототипа (A. Wickenbrock, Н. Zheng, L. Bougas, N. Leefer, S. Afach, A. Jarmola, V.M. Acosta, and D. Budker, «Microwave-free magnetometry with nitrogen-vacancy centers in diamond)), Applied Physics Letters, V. 109, 053505 (2016)). Способ-прототип позволяет производить измерение характеристик магнитного поля с использованием NV-центров в алмазе без использования микроволнового излучения.The closest analogue in technical essence to the proposed method is a method of measuring magnetic field characteristics, based on the effect of antisection of sublevels of the ground state of NV centers in diamond, which is selected as a prototype (A. Wickenbrock, N. Zheng, L. Bougas, N. Leefer , S. Afach, A. Jarmola, VM Acosta, and D. Budker, “Microwave-free magnetometry with nitrogen-vacancy centers in diamond)), Applied Physics Letters, V. 109, 053505 (2016)). The prototype method allows the measurement of the characteristics of the magnetic field using NV centers in diamond without using microwave radiation.

Способ-прототип включает в себя следующие шаги. Кристалл алмаза с NV-центрами помещают в область измеряемого магнитного поля. На указанный кристалл направляют электромагнитное излучение оптического диапазона, приводящее к спиновой поляризации NV-центров. К указанному кристаллу прикладывают дополнительное постоянное магнитное поле величиной ~102,4 мТл, ориентированное вдоль оси одной из групп NV-центров, приводящее к эффекту антипересечения подуровней основного состояния NV-центров, при этом измеряют сигнал флюоресценции. Измеряемое магнитное поле приводит к смещению подуровней основного состояния и нарушению условия антипересечения подуровней основного состояния NV-центров, что приводит к изменению сигнала флюоресценции. Этот эффект используется в способе-прототипе для определения характеристик измеряемого магнитного поля. Для повышения точности измерений в способе-прототипе к указанному кристаллу прикладывают также небольшое переменное магнитное поле, ориентированное так же, как и дополнительное постоянное магнитное поле, и используют технику синхронного детектирования.The prototype method includes the following steps. A diamond crystal with NV centers is placed in the region of the measured magnetic field. Optical electromagnetic radiation is directed to this crystal, which leads to spin polarization of the NV centers. An additional constant magnetic field of ~ 102.4 mT, oriented along the axis of one of the groups of NV centers, is applied to the indicated crystal, leading to the effect of antirecrossing sublevels of the ground state of NV centers, and the fluorescence signal is measured. The measured magnetic field leads to a displacement of the sublevels of the ground state and to a violation of the antirecross condition for sublevels of the ground state of the NV centers, which leads to a change in the fluorescence signal. This effect is used in the prototype method to determine the characteristics of the measured magnetic field. To improve the accuracy of the measurements in the prototype method, a small alternating magnetic field, oriented in the same way as an additional constant magnetic field, is also applied to the indicated crystal, and the synchronous detection technique is used.

Недостатком способа-прототипа является использование сильного дополнительного постоянного магнитного поля ~102,4 мТл, что, во-первых, ограничивает область применимости способа теми случаями, когда использование сильных магнитных полей допустимо, а, во-вторых, усложняет техническую реализацию.The disadvantage of the prototype method is the use of a strong additional constant magnetic field of ~ 102.4 mT, which, firstly, limits the scope of the method to those cases where the use of strong magnetic fields is acceptable, and, secondly, complicates the technical implementation.

Задачей, решаемой настоящим изобретением, является разработка способа измерения характеристик магнитного поля с помощью NV-центров в алмазе без использования микроволнового излучения и сильного дополнительного постоянного магнитного поля.The problem solved by the present invention is the development of a method for measuring the characteristics of a magnetic field using NV centers in diamond without using microwave radiation and a strong additional constant magnetic field.

Технический результат в разработанном способе измерения характеристик магнитного поля, как и в способе-прототипе, достигается за счет того, что кристалл алмаза с NV-центрами помещают в область измеряемого магнитного поля, на указанный кристалл алмаза направляют электромагнитное излучение оптического диапазона, приводящее к спиновой поляризации NV-центров, регистрируют сигнал флюоресценции.The technical result in the developed method for measuring the characteristics of the magnetic field, as in the prototype method, is achieved due to the fact that the diamond crystal with NV centers is placed in the region of the measured magnetic field, electromagnetic radiation of the optical range is sent to the specified diamond crystal, leading to spin polarization NV centers record the fluorescence signal.

Новым в разработанном способе измерения характеристик магнитного поля является то, что к указанному кристаллу по крайней мере однократно прикладывают переменное магнитное поле, ориентированное в некотором наперед заданном направлении. Измеряют зависимость сигнала флюоресценции от величины переменного магнитного поля для каждого направления этого поля, на данной зависимости регистрируют положения резонансов, соответствующих совпадению частот переходов между подуровнями основного состояния, относящихся к различным группам NV-центров. По указанным положениям резонансов определяют характеристики измеряемого магнитного поля.New in the developed method for measuring the characteristics of the magnetic field is that an alternating magnetic field oriented in a predetermined direction is applied at least once to the indicated crystal. The dependence of the fluorescence signal on the magnitude of the alternating magnetic field is measured for each direction of this field, the positions of the resonances corresponding to the coincidence of the transition frequencies between the sublevels of the ground state belonging to different groups of NV centers are recorded on this dependence. The indicated resonance positions determine the characteristics of the measured magnetic field.

Разработанный способ, в отличие от способа-прототипа, не требует использования сильного дополнительного постоянного магнитного поля. Это упрощает техническую реализацию и расширяет область применимости способа, позволяя работать в ситуациях, в которых использование сильных магнитных полей недопустимо.The developed method, in contrast to the prototype method, does not require the use of a strong additional constant magnetic field. This simplifies the technical implementation and expands the applicability of the method, allowing you to work in situations in which the use of strong magnetic fields is unacceptable.

Предложенный авторами способ измерения характеристик магнитного поля основан на использовании взаимодействия разных групп NV-центров в кристалле алмаза в магнитном поле. Известно (см., например, А.В. Цуканов, «NV-центры в алмазе. Часть I: общие сведения, технология изготовления, структура спектра», Микроэлектроника, Т. 41, №2, С. 104-119 (2012)), что NV-центры в алмазе образуют четыре группы с различной ориентацией оси NV-центра относительно кристаллографических осей алмаза. Частоты переходов между подуровнями основного состояния для различных групп NV-центров по-разному зависят от магнитного поля. В общем случае указанные частоты в ненулевом магнитном поле не совпадают. Однако при некоторых магнитных полях возможно совпадение указанных частот для двух или нескольких групп NV-центров. Такое совпадение частот переходов между подуровнями основного состояния, относящихся к различным группам NV-центров, приводит к взаимодействию NV-центров и, как следствие, к их частичной деполяризации, что отражается в изменении сигнала флюоресценции. Авторами предлагается использовать этот эффект для измерения характеристик магнитного поля.The method proposed by the authors for measuring the characteristics of the magnetic field is based on the interaction of different groups of NV centers in a diamond crystal in a magnetic field. It is known (see, for example, A.V. Tsukanov, “NV centers in diamond. Part I: general information, manufacturing technology, spectrum structure”, Microelectronics, Vol. 41, No. 2, pp. 104-119 (2012) ) that the NV centers in diamond form four groups with different orientations of the axis of the NV center relative to the crystallographic axes of diamond. The transition frequencies between the sublevels of the ground state for different groups of NV centers depend differently on the magnetic field. In the general case, the indicated frequencies in a nonzero magnetic field do not coincide. However, at certain magnetic fields, the indicated frequencies may coincide for two or several groups of NV centers. Such a coincidence of the transition frequencies between sublevels of the ground state related to different groups of NV centers leads to the interaction of NV centers and, as a consequence, to their partial depolarization, which is reflected in a change in the fluorescence signal. The authors suggest using this effect to measure the characteristics of a magnetic field.

Разработанный способ поясняется следующими чертежами.The developed method is illustrated by the following drawings.

На фиг. 1 представлена схема возможной технической реализации разработанного способа в соответствии с п. 1. формулы.In FIG. 1 presents a diagram of a possible technical implementation of the developed method in accordance with paragraph 1. of the formula.

На фиг. 2 представлена упрощенная схема уровней NV-центра в алмазе.In FIG. Figure 2 shows a simplified diagram of the levels of the NV center in diamond.

На фиг. 3 представлена возможная зависимость сигнала флюоресценции от величины переменного магнитного поля при реализации разработанного способа в соответствии с п. 1 или п. 3 формулы.In FIG. Figure 3 shows the possible dependence of the fluorescence signal on the magnitude of the variable magnetic field when implementing the developed method in accordance with paragraph 1 or paragraph 3 of the formula.

Возможны различные технические реализации разработанного способа. Схема одной из возможных технических реализаций разработанного способа представлена на фиг. 1. Она содержит кристалл алмаза 1 с NV-центрами, лазер 2, дихроичное зеркало 3, соленоид 4 и фотодетектор 5.Various technical implementations of the developed method are possible. A diagram of one of the possible technical implementations of the developed method is presented in FIG. 1. It contains a diamond crystal 1 with NV centers, a laser 2, a dichroic mirror 3, a solenoid 4, and a photodetector 5.

Способ измерения магнитного поля в соответствии с п. 1 формулы с помощью схемы, представленной на фиг. 1, осуществляют следующим образом.A method of measuring a magnetic field in accordance with claim 1 of the formula using the circuit shown in FIG. 1 is carried out as follows.

Кристалл алмаза 1 с NV-центрами помещают в область измеряемого магнитного поля

Figure 00000001
. Длину волны лазера 2 выбирают так, чтобы она была меньше длины волны бесфононной линии NV-центра (~637 нм, см. фиг. 2), в частности, в качестве лазера 2 можно использовать широко распространенный лазер с длиной волны 532 нм. Излучение лазера 2 с помощью дихроичного зеркала 3, которое выбирают так, чтобы оно отражало излучение лазера 2, но пропускало сигнал флюоресценции от NV-центров, направляют на кристалл алмаза 1 с NV-центрами. Известно (см., например, А.В. Цуканов, «NV-центры в алмазе. Часть II: спектроскопия, измерения, квантовые операции», Микроэлектроника, Т. 41, №3, с. 163-180 (2012)), что в этом случае действие излучения приводит к спиновой поляризации NV-центров на подуровень основного состояния |0〉 с проекцией спина на ось NV-центра, равной 0 (см. фиг. 2). С помощью соленоида 4 к кристаллу алмаза 1 с NV-центрами прикладывают переменное магнитное поле
Figure 00000002
, изменяющееся во времени по некоторому, например гармоническому, закону и ориентированное в некотором наперед заданном направлении относительно кристаллографических осей кристалла алмаза 1. Известно, что частоты переходов между подуровнями основного состояния зависят от величины и направления магнитного поля
Figure 00000003
, которое в рассматриваемом случае является суммой измеряемого магнитного поля
Figure 00000001
и переменного магнитного поля
Figure 00000002
A diamond crystal 1 with NV centers is placed in the region of the measured magnetic field
Figure 00000001
. The wavelength of laser 2 is chosen so that it is less than the wavelength of the zero-phonon line of the NV center (~ 637 nm, see Fig. 2), in particular, as a laser 2, a widely used laser with a wavelength of 532 nm can be used. The radiation of laser 2 using a dichroic mirror 3, which is selected so that it reflects the radiation of laser 2, but passes the fluorescence signal from the NV centers, is sent to the diamond crystal 1 with NV centers. It is known (see, for example, A.V. Tsukanov, “NV centers in diamond. Part II: spectroscopy, measurements, quantum operations”, Microelectronics, Vol. 41, No. 3, pp. 163-180 (2012)), that in this case, the action of radiation leads to spin polarization of the NV centers on the sublevel of the ground state | 0〉 with the spin projection on the axis of the NV center equal to 0 (see Fig. 2). Using solenoid 4, an alternating magnetic field is applied to the diamond 1 crystal with NV centers
Figure 00000002
, which varies in time according to some, for example harmonic, law and oriented in a certain predetermined direction relative to the crystallographic axes of the diamond of diamond 1. It is known that the frequencies of transitions between sublevels of the ground state depend on the magnitude and direction of the magnetic field
Figure 00000003
, which in the case under consideration is the sum of the measured magnetic field
Figure 00000001
and alternating magnetic field
Figure 00000002

Figure 00000004
Figure 00000004

Величины частот переходов между подуровнями основного состояния задаются следующей формулой (K. Holliday, N.B. Manson, М. Glasbeek, and Е. van Oort. «Optical hole-bleaching by level anti-crossing and cross relaxation in the N-V centre in diamond», Journal of Physics: Condensed Matter, V. 1, №39, P. 7093-7102 (1989)):The frequencies of transitions between sublevels of the ground state are given by the following formula (K. Holliday, NB Manson, M. Glasbeek, and E. van Oort. “Optical hole-bleaching by level anti-crossing and cross relaxation in the NV center in diamond”, Journal of Physics: Condensed Matter, V. 1, No. 39, P. 7093-7102 (1989)):

Figure 00000005
Figure 00000005

где ν+ - частота перехода между подуровнями основного состояния |0〉 и |+1〉, ν- - частота перехода между подуровнями основного состояния |0〉 и |-1〉 (см. фиг. 2), k=gμBB, g - фактор Ланде, μB - магнетон Бора, В - величина магнитного поля, параметр α удовлетворяет условию:where ν + is the transition frequency between sublevels of the ground state | 0〉 and | +1〉, ν - is the transition frequency between sublevels of the ground state | 0〉 and | -1〉 (see Fig. 2), k = gμ B B, g is the Lande factor, μ B is the Bohr magneton, B is the magnetic field, parameter α satisfies the condition:

Figure 00000006
Figure 00000006

где D≈2,88 ГГц - расщепление в нулевом магнитном поле, θ - угол между осью NV-центра и магнитным полем. Направления осей различных групп NV-центров относительно кристаллографических осей кристалла алмаза задаются четырьмя векторами

Figure 00000007
.where D≈2.88 GHz is the splitting in a zero magnetic field, θ is the angle between the axis of the NV center and the magnetic field. The directions of the axes of various groups of NV centers relative to the crystallographic axes of a diamond crystal are specified by four vectors
Figure 00000007
.

Изменение сигнала флюоресценции при совпадении частот переходов между подуровнями основного состояния, относящихся к различным группам NV-центров, приводит к появлению резонансов в зависимости сигнала флюоресценции от величины переменного магнитного поля В~, положение которых зависит от величины и направления измеряемого магнитного поля

Figure 00000008
.A change in the fluorescence signal with the coincidence of the transition frequencies between sublevels of the ground state belonging to different groups of NV centers leads to the appearance of resonances in the dependence of the fluorescence signal on the magnitude of the alternating magnetic field B ~ , the position of which depends on the magnitude and direction of the measured magnetic field
Figure 00000008
.

С помощью фотодетектора 5 регистрируют сигнал флюоресценции от NV-центров и измеряют зависимость сигнала флюоресценции от величины переменного магнитного поля В~. На данной зависимости регистрируют положения резонансов, соответствующих совпадению частот переходов между подуровнями основного состояния, относящихся к различным группам NV-центров. По указанным положениям резонансов определяют характеристики измеряемого магнитного поля.Using a photodetector 5, the fluorescence signal from the NV centers is recorded and the dependence of the fluorescence signal on the magnitude of the alternating magnetic field B ~ is measured. In this dependence, the positions of the resonances corresponding to the coincidence of the transition frequencies between sublevels of the ground state related to different groups of NV centers are recorded. The indicated resonance positions determine the characteristics of the measured magnetic field.

Из выражений (2) и (3) следует, что для относительно небольших значений магнитного поля (В<300 Гс) совпадение частот переходов между подуровнями основного состояния, относящихся к различным группам NV-центров, соответствует равенству модулей проекций магнитного поля

Figure 00000009
на оси соответствующих NV-центров.It follows from expressions (2) and (3) that for relatively small values of the magnetic field (B <300 G), the coincidence of the transition frequencies between sublevels of the ground state belonging to different groups of NV centers corresponds to the equality of the moduli of projections of the magnetic field
Figure 00000009
on the axis of the corresponding NV centers.

Figure 00000010
Figure 00000010

Введя

Figure 00000011
- единичный вектор вдоль направления переменного магнитного поля
Figure 00000012
, из выражения (4) с учетом (1) получим следующее выражение для положения резонансов:By entering
Figure 00000011
is the unit vector along the direction of the alternating magnetic field
Figure 00000012
, from expression (4), taking into account (1), we obtain the following expression for the position of the resonances:

Figure 00000013
Figure 00000013

где возможно 9 различных векторов

Figure 00000014
,
Figure 00000015
,
Figure 00000016
,
Figure 00000017
,
Figure 00000018
,
Figure 00000019
,
Figure 00000020
,
Figure 00000021
,
Figure 00000022
,
Figure 00000023
.where 9 different vectors are possible
Figure 00000014
,
Figure 00000015
,
Figure 00000016
,
Figure 00000017
,
Figure 00000018
,
Figure 00000019
,
Figure 00000020
,
Figure 00000021
,
Figure 00000022
,
Figure 00000023
.

Таким образом, в общем случае может быть до 9 резонансов, в некоторых случаях некоторые из них могут совпадать. По положению указанных резонансов можно определить характеристики магнитного поля, к которым, в частности, относятся величина и направление магнитного поля. Методики могут быть различными.Thus, in the general case there can be up to 9 resonances, in some cases some of them may coincide. From the position of the indicated resonances, one can determine the characteristics of the magnetic field, which, in particular, include the magnitude and direction of the magnetic field. Techniques may vary.

Для измерения характеристик магнитного поля можно использовать различные направления переменного магнитного поля. В качестве примера рассмотрим способ измерения по п. 3, когда переменное магнитное поле направлено вдоль одной из главных кристаллографических осей, например, вдоль оси x, что соответствует

Figure 00000024
. В этом случае будут наблюдаться 5 резонансов (см. фиг. 3), при следующих положениях (значениях величины переменного магнитного поля):Different directions of an alternating magnetic field can be used to measure the characteristics of a magnetic field. As an example, we consider the measurement method according to claim 3, when the alternating magnetic field is directed along one of the main crystallographic axes, for example, along the x axis, which corresponds to
Figure 00000024
. In this case, 5 resonances will be observed (see Fig. 3), at the following positions (values of the variable magnetic field):

Figure 00000025
Figure 00000025

Положение центрального резонанса позволяет однозначно определить проекцию

Figure 00000026
The position of the central resonance allows you to uniquely determine the projection
Figure 00000026

Figure 00000027
Figure 00000027

Также из измерений можно определить модули проекций на другие оси |В0у|, |B0z|, однако способ измерения по п. 3 не позволяет идентифицировать, какое из измеренных значений соответствует проекции В0у, а какое В0z. При этом можно однозначно определить величину измеряемого магнитного поляAlso, from the measurements it is possible to determine the projection modules on the other axes | B 0y |, | B 0z |, however, the measurement method according to claim 3 does not allow to identify which of the measured values corresponds to the projection B 0y , and which B 0z . In this case, it is possible to uniquely determine the magnitude of the measured magnetic field

Figure 00000028
Figure 00000028

Таким образом, способ измерения по п. 3 позволяет однозначно определить величину магнитного поля и проекцию на направление оси х.Thus, the measurement method according to claim 3 allows you to uniquely determine the magnitude of the magnetic field and the projection on the x-axis direction.

Для полного и однозначного измерения величины и направления магнитного поля следует провести несколько измерений с различными направлениями переменного магнитного поля

Figure 00000029
. В качестве примера и в соответствии с п. 4 можно провести следующие три измерения.For a complete and unambiguous measurement of the magnitude and direction of the magnetic field, several measurements should be made with different directions of the alternating magnetic field
Figure 00000029
. As an example and in accordance with clause 4, the following three measurements can be made.

В первом измерении магнитное поле направляют вдоль кристаллографической оси x, что соответствует

Figure 00000030
. С помощью фотодетектора регистрируют сигнал флюоресценции от NV-центров и измеряют зависимость сигнала флюоресценции от величины переменного магнитного поля B~. На данной зависимости регистрируют положения резонансов, соответствующих совпадению частот переходов между подуровнями основного состояния, относящихся к различным группам NV-центров. В этом случае будут наблюдаться 5 указанных резонансов. Положение центрального резонанса b0,1 позволяет однозначно определить проекцию В0х In the first measurement, the magnetic field is directed along the crystallographic axis x, which corresponds to
Figure 00000030
. Using a photodetector, the fluorescence signal from the NV centers is recorded and the dependence of the fluorescence signal on the magnitude of the alternating magnetic field B ~ is measured. In this dependence, the positions of the resonances corresponding to the coincidence of the transition frequencies between sublevels of the ground state related to different groups of NV centers are recorded. In this case, 5 indicated resonances will be observed. The position of the central resonance b 0,1 allows you to uniquely determine the projection In 0x

Figure 00000031
Figure 00000031

Во втором измерении магнитное поле направляют вдоль кристаллографической оси у, что соответствует

Figure 00000032
. С помощью фотодетектора регистрируют сигнал флюоресценции от NV-центров и измеряют зависимость сигнала флюоресценции от величины переменного магнитного поля B~. На данной зависимости регистрируют положения резонансов, соответствующих совпадению частот переходов между подуровнями основного состояния, относящихся к различным группам NV-центров. В этом случае будут также наблюдаться 5 указанных резонансов. Положение центрального резонанса b0,2 позволяет однозначно определить проекцию В0у In the second dimension, the magnetic field is directed along the crystallographic axis y, which corresponds to
Figure 00000032
. Using a photodetector, the fluorescence signal from the NV centers is recorded and the dependence of the fluorescence signal on the magnitude of the alternating magnetic field B ~ is measured. In this dependence, the positions of the resonances corresponding to the coincidence of the transition frequencies between sublevels of the ground state related to different groups of NV centers are recorded. In this case, 5 indicated resonances will also be observed. The position of the central resonance b 0.2 allows you to uniquely determine the projection B 0y

Figure 00000033
Figure 00000033

В третьем измерении магнитное поле направляют вдоль кристаллографической оси z, что соответствует

Figure 00000034
. С помощью фотодетектора регистрируют сигнал флюоресценции от NV-центров и измеряют зависимость сигнала флюоресценции от величины переменного магнитного поля В~. На данной зависимости регистрируют положения резонансов, соответствующих совпадению частот переходов между подуровнями основного состояния, относящихся к различным группам NV-центров. В этом случае также будут наблюдаться 5 указанных резонансов. Положение центрального резонанса b0,3 позволяет однозначно определить проекцию B0z In the third dimension, the magnetic field is directed along the crystallographic z axis, which corresponds to
Figure 00000034
. Using a photodetector, the fluorescence signal from the NV centers is recorded and the dependence of the fluorescence signal on the magnitude of the alternating magnetic field B ~ is measured. In this dependence, the positions of the resonances corresponding to the coincidence of the transition frequencies between sublevels of the ground state related to different groups of NV centers are recorded. In this case, 5 indicated resonances will also be observed. The position of the central resonance b 0.3 allows you to uniquely determine the projection B 0z

Figure 00000035
Figure 00000035

Таким образом, указанные три измерения способа по п. 4 позволяют определить проекции магнитного поля В0х, В0у, В0z на кристаллографические оси x, у, z, а, следовательно, величину и направление измеряемого магнитного поля

Figure 00000036
.Thus, the three measurements of the method according to claim 4 make it possible to determine the projections of the magnetic field B 0x , B 0y , B 0z on the crystallographic axes x, y, z, and, therefore, the magnitude and direction of the measured magnetic field
Figure 00000036
.

Примеры конкретной реализации предлагаемого способа.Examples of specific implementations of the proposed method.

В первом примере реализации предлагаемого способа в соответствии с п. 1 и п. 3 кристалл алмаза с NV-центрами помещают в слабое однородное поле, направление которого предполагают измерить. На указанный кристалл алмаза направляют излучение лазера с длиной волны 532 нм, приводящее к спиновой поляризации NV-центров. К указанному кристаллу с NV-центрами прикладывают переменное магнитное поле, изменяющееся во времени по гармоническому закону и ориентированное в некотором наперед заданном направлении. С помощью фотодетектора регистрируют сигнал флюоресценции от NV-центров и измеряют зависимость сигнала флюоресценции от величины переменного магнитного поля. При экспериментальной проверке на данной зависимости зарегистрированы положения (значения величин переменного магнитного поля) шести резонансов, соответствующих совпадению частот переходов между подуровнями основного состояния, относящихся к различным группам NV-центров, с контрастностью около 1%. По указанным положениям резонансов были определены величина и проекция измеряемого магнитного поля на направление переменного магнитного поля.In the first example of the implementation of the proposed method in accordance with paragraph 1 and paragraph 3, a diamond crystal with NV centers is placed in a weak uniform field, the direction of which is supposed to be measured. Laser radiation with a wavelength of 532 nm is directed to the indicated diamond crystal, leading to spin polarization of the NV centers. An alternating magnetic field is applied to the indicated crystal with NV centers, which varies in time according to the harmonic law and is oriented in a predetermined direction. Using a photodetector, the fluorescence signal from the NV centers is recorded and the dependence of the fluorescence signal on the magnitude of the alternating magnetic field is measured. During the experimental verification of this dependence, the positions (values of the variable magnetic field) of six resonances were recorded, corresponding to the coincidence of the transition frequencies between sublevels of the ground state belonging to different groups of NV centers with a contrast of about 1%. From the indicated resonance positions, the magnitude and projection of the measured magnetic field on the direction of the alternating magnetic field were determined.

В другом примере реализации предлагаемого способа в соответствии с п. 2 в качестве оптического излучения используют резонансное лазерное излучение на длине волны бесфононной линии поглощения NV-центра (~637 нм), при этом кристалл алмаза помещают в криостат с температурой менее 30 К. Известно, что в таких условиях характер спиновой поляризации NV-центров существенно меняется (R. Akhmedzhanov, L. Gush-chin, N. Nizov, V. Nizov, D. Sobgayda, I. Zelensky, and P. Hemmer. «Optically detected magnetic resonance in negatively charged nitrogen-vacancy centers in diamond under resonant optical excitation at cryogenic temperatures», Physical Review A, V. 94, 063859 (2016)). В этом эксперименте на зависимости сигнала флюоресценции от величины переменного магнитного поля наблюдались резонансы обратного по сравнению с экспериментом с излучением с длиной волны 532 нм знака с контрастностью около 10%. По положению наблюдавшихся резонансов были определены величина и проекция измеряемого магнитного поля на направление переменного магнитного поля.In another example of the implementation of the proposed method in accordance with claim 2, resonant laser radiation at the wavelength of the zero-phonon absorption line of the NV center (~ 637 nm) is used as optical radiation, while the diamond crystal is placed in a cryostat with a temperature of less than 30 K. It is known that under such conditions the nature of the spin polarization of NV centers changes significantly (R. Akhmedzhanov, L. Gushchin, N. Nizov, V. Nizov, D. Sobgayda, I. Zelensky, and P. Hemmer. “Optically detected magnetic resonance in negatively charged nitrogen-vacancy centers in diamond under resonant optical excitation at cryogenic temperatures ”, Physical Review A, V. 94, 063859 (2016)). In this experiment, the dependence of the fluorescence signal on the magnitude of the alternating magnetic field was observed resonances inverse compared with the experiment with radiation with a wavelength of 532 nm sign with a contrast of about 10%. The magnitude and projection of the measured magnetic field on the direction of the alternating magnetic field were determined from the position of the observed resonances.

Таким образом, проведенная экспериментальная проверка предлагаемого способа показала его работоспособность с достижением заявленного технического результата.Thus, the experimental verification of the proposed method showed its efficiency with the achievement of the claimed technical result.

Claims (4)

1. Способ измерения характеристик магнитного поля, включающий помещение кристалла алмаза с NV-центрами в область измеряемого магнитного поля, направление на указанный кристалл электромагнитного излучения оптического диапазона, приводящего к спиновой поляризации NV-центров, регистрацию сигнала флюоресценции, отличающийся тем, что к указанному кристаллу по крайней мере однократно прикладывают переменное магнитное поле, ориентированное в некотором наперед заданном направлении, измеряют зависимость сигнала флюоресценции от величины переменного магнитного поля для каждого направления этого поля, на данной зависимости регистрируют положения резонансов, соответствующих совпадению частот переходов между подуровнями основного состояния, относящихся к различным группам NV-центров, по указанным положениям резонансов определяют характеристики измеряемого магнитного поля.1. A method of measuring the characteristics of a magnetic field, including placing a diamond crystal with NV centers in the region of the measured magnetic field, directing optical radiation of the optical range leading to spin polarization of the NV centers on the indicated crystal, registering a fluorescence signal, characterized in that to said crystal at least once apply an alternating magnetic field oriented in a certain predetermined direction, measure the dependence of the fluorescence signal on the magnitude of per alternating magnetic field for each direction of this field, depending on the given situation are recorded resonances corresponding to coincidence of frequencies of the transitions between the sublevels of the ground state belonging to different groups of NV-center at said determined position of the resonance characteristics of the measured magnetic field. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве электромагнитного излучения оптического диапазона, приводящего к спиновой поляризации NV-центров, используют излучение лазера с длиной волны резонансной бесфононной линии поглощения NV-центров, а измерения производят при температуре кристалла алмаза с NV-центрами, меньшей 30 К.2. The method according to claim 1, characterized in that the laser radiation with a wavelength of the resonant zero-phonon absorption line of the NV centers is used as electromagnetic radiation of the optical range leading to spin polarization of the NV centers, and measurements are made at a temperature of a diamond crystal with NV centers less than 30 K. 3. Способ по п. 1 или 2, отличающийся тем, что переменное магнитное поле ориентируют вдоль направления одной из кристаллографических осей алмаза, при этом определяют величину измеряемого магнитного поля и проекцию измеряемого магнитного поля на указанную ось.3. The method according to p. 1 or 2, characterized in that the alternating magnetic field is oriented along the direction of one of the crystallographic axes of the diamond, while determining the magnitude of the measured magnetic field and the projection of the measured magnetic field on the specified axis. 4. Способ по п. 1 или 2, отличающийся тем, что переменное магнитное поле последовательно ориентируют вдоль каждой из 3-х кристаллографических осей алмаза, при этом определяют направление и величину измеряемого магнитного поля.4. The method according to p. 1 or 2, characterized in that the alternating magnetic field is sequentially oriented along each of the 3 crystallographic axes of diamond, and the direction and magnitude of the measured magnetic field are determined.
RU2017115396A 2017-05-02 2017-05-02 Method of measuring the characteristics of the magnetic field RU2654967C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2017115396A RU2654967C1 (en) 2017-05-02 2017-05-02 Method of measuring the characteristics of the magnetic field

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2017115396A RU2654967C1 (en) 2017-05-02 2017-05-02 Method of measuring the characteristics of the magnetic field

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2654967C1 true RU2654967C1 (en) 2018-05-23

Family

ID=62202496

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2017115396A RU2654967C1 (en) 2017-05-02 2017-05-02 Method of measuring the characteristics of the magnetic field

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2654967C1 (en)

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2691766C1 (en) * 2018-08-27 2019-06-18 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук Method of measuring temperature
RU190347U1 (en) * 2018-12-27 2019-06-28 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева-КАИ" Integral fiber optic quantum sensor with microwave delivery channel for thermal and magnetometry
CN110095492A (en) * 2019-04-18 2019-08-06 国仪量子(合肥)技术有限公司 Magnetic field automates adjusting method, computer equipment and medium
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)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2009073736A1 (en) * 2007-12-03 2009-06-11 President And Fellows Of Harvard College Spin based magnetometer
RU2601734C1 (en) * 2015-08-12 2016-11-10 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук Method of measuring magnetic field
US9551763B1 (en) * 2016-01-21 2017-01-24 Lockheed Martin Corporation Diamond nitrogen vacancy sensor with common RF and magnetic fields generator

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2009073736A1 (en) * 2007-12-03 2009-06-11 President And Fellows Of Harvard College Spin based magnetometer
RU2601734C1 (en) * 2015-08-12 2016-11-10 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук Method of measuring magnetic field
US9551763B1 (en) * 2016-01-21 2017-01-24 Lockheed Martin Corporation Diamond nitrogen vacancy sensor with common RF and magnetic fields generator

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
A. Wickenbrock и др. "Microwave-free magnetometry with nitrogen-vacancy centers in diamond", APPLIED PHYSICS LETTERS, т. 109, 2016 г., стр. 053505-1 - 053505-4. *

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2691766C1 (en) * 2018-08-27 2019-06-18 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук Method of measuring temperature
RU190347U1 (en) * 2018-12-27 2019-06-28 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева-КАИ" Integral fiber optic quantum sensor with microwave delivery channel for thermal and magnetometry
CN110095492A (en) * 2019-04-18 2019-08-06 国仪量子(合肥)技术有限公司 Magnetic field automates adjusting method, computer equipment and medium
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
US10648933B2 (en) Methods and apparatus for optically detecting magnetic resonance
US9121889B2 (en) Method and apparatus for implementing EIT magnetometry
CN108519564B (en) Three-axis solid-state atomic magnetic sensor based on diamond NV color center and magnetic field detection method
London et al. Detecting and polarizing nuclear spins with double resonance on a single electron spin
US7573264B2 (en) Atomic magnetic gradiometer for room temperature high sensitivity magnetic field detection
JP5264242B2 (en) Atomic magnetometer and magnetic force measurement method
Wood et al. Wide-band nanoscale magnetic resonance spectroscopy using quantum relaxation of a single spin in diamond
RU2661442C2 (en) Gyroscope at n-v centers in diamonds
EP2816367B1 (en) Single-beam radio frequency atomic magnetometer
CN108287322B (en) Atomic magnetometer without response blind zone and method for measuring external magnetic field by atomic magnetometer
WO2015015172A1 (en) Sensitive detector
RU2483316C1 (en) Method for optical detection of magnetic resonance and apparatus for realising said method
Borna et al. Magnetic source imaging using a pulsed optically pumped magnetometer array
Shin et al. Optically detected nuclear quadrupolar interaction of n 14 in nitrogen-vacancy centers in diamond
RU2654967C1 (en) Method of measuring the characteristics of the magnetic field
Zhang et al. A fast identification on the spin-exchange relaxation-free regime of atomic magnetometer exploiting measurement on gyromagnetic ratio
Budoyo et al. Electron spin resonance with up to 20 spin sensitivity measured using a superconducting flux qubit
Colombo et al. Orientational dependence of optically detected magnetic resonance signals in laser-driven atomic magnetometers
US4050009A (en) Spectrometer for external detection of magnetic and related double resonance
Zhao et al. A calibration method for coil constants using an atomic spin self-sustaining vector magnetometer
RU2694798C1 (en) Method of measuring characteristics of magnetic field
Gusarov et al. Accuracy enhancement of magnetic field distribution measurements within a large cell spin-exchange relaxation-free magnetometer
RU2816560C1 (en) Quantum magnetometer based on n2v-centres in diamond
RU2733701C1 (en) Quantum sensor and methods for measuring transverse component of weak magnetic field (versions)
Meinel et al. Quantum Heterodyne Sensing of Nuclear Spins via Double Resonance

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20190503