RU2665588C1 - Лазерный спектрометр магнитного резонанса - Google Patents
Лазерный спектрометр магнитного резонанса Download PDFInfo
- Publication number
- RU2665588C1 RU2665588C1 RU2017140821A RU2017140821A RU2665588C1 RU 2665588 C1 RU2665588 C1 RU 2665588C1 RU 2017140821 A RU2017140821 A RU 2017140821A RU 2017140821 A RU2017140821 A RU 2017140821A RU 2665588 C1 RU2665588 C1 RU 2665588C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- magnetic resonance
- laser
- sample
- frequency
- spectrum
- Prior art date
Links
- 230000005291 magnetic effect Effects 0.000 title abstract description 44
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 claims abstract description 23
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 claims abstract description 17
- 238000000034 method Methods 0.000 claims abstract description 15
- 238000005259 measurement Methods 0.000 claims abstract description 10
- 239000000126 substance Substances 0.000 claims abstract description 7
- 230000005855 radiation Effects 0.000 claims abstract description 5
- 238000000249 far-infrared magnetic resonance spectroscopy Methods 0.000 claims description 3
- 230000010287 polarization Effects 0.000 abstract description 11
- 238000004611 spectroscopical analysis Methods 0.000 abstract description 8
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 3
- 239000000523 sample Substances 0.000 description 19
- 230000002269 spontaneous effect Effects 0.000 description 6
- 238000004435 EPR spectroscopy Methods 0.000 description 5
- 230000005284 excitation Effects 0.000 description 5
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 4
- 230000005415 magnetization Effects 0.000 description 4
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 4
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 3
- 230000007704 transition Effects 0.000 description 3
- JBRZTFJDHDCESZ-UHFFFAOYSA-N AsGa Chemical compound [As]#[Ga] JBRZTFJDHDCESZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910001218 Gallium arsenide Inorganic materials 0.000 description 2
- BGPVFRJUHWVFKM-UHFFFAOYSA-N N1=C2C=CC=CC2=[N+]([O-])C1(CC1)CCC21N=C1C=CC=CC1=[N+]2[O-] Chemical compound N1=C2C=CC=CC2=[N+]([O-])C1(CC1)CCC21N=C1C=CC=CC1=[N+]2[O-] BGPVFRJUHWVFKM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 2
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 2
- 230000003094 perturbing effect Effects 0.000 description 2
- 239000012491 analyte Substances 0.000 description 1
- 239000002800 charge carrier Substances 0.000 description 1
- 230000002596 correlated effect Effects 0.000 description 1
- 230000003247 decreasing effect Effects 0.000 description 1
- 238000013461 design Methods 0.000 description 1
- 238000003745 diagnosis Methods 0.000 description 1
- 230000005672 electromagnetic field Effects 0.000 description 1
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 1
- 230000004907 flux Effects 0.000 description 1
- 239000012212 insulator Substances 0.000 description 1
- 230000003993 interaction Effects 0.000 description 1
- 238000001307 laser spectroscopy Methods 0.000 description 1
- 239000000463 material Substances 0.000 description 1
- 238000013208 measuring procedure Methods 0.000 description 1
- 238000004377 microelectronic Methods 0.000 description 1
- 239000002086 nanomaterial Substances 0.000 description 1
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 1
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 1
- 230000001902 propagating effect Effects 0.000 description 1
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 1
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010703 silicon Substances 0.000 description 1
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 1
- 238000010561 standard procedure Methods 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N24/00—Investigating or analyzing materials by the use of nuclear magnetic resonance, electron paramagnetic resonance or other spin effects
- G01N24/08—Investigating or analyzing materials by the use of nuclear magnetic resonance, electron paramagnetic resonance or other spin effects by using nuclear magnetic resonance
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- High Energy & Nuclear Physics (AREA)
- Biochemistry (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Analytical Chemistry (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Immunology (AREA)
- Pathology (AREA)
- Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)
- Magnetic Resonance Imaging Apparatus (AREA)
Abstract
Использование: для спектроскопии магнитного резонанса. Сущность изобретения заключается в том, что лазерный спектрометр магнитного резонанса для исследования свойств веществ, не возмущенных процедурой измерения, содержит лазерный источник света, входной поляризационный элемент, через который свет от лазерного источника проходит на образец, размещенный в магните, поляризационный элемент регистрации, через который вторичное излучение от образца проходит на оптический детектор, устройство регистрации спектра и тракт высокой частоты, при этом тракт высокой частоты расположен между оптическим детектором и устройством регистрации спектра. Технический результат: обеспечение возможности исследования магнитных свойств веществ, не возмущенных процедурой измерения. 2 ил.
Description
Изобретение относится к области спектроскопии магнитного резонанса и может быть использовано для решения широкого круга фундаментальных и прикладных задач физики твердого тела, фотоники, микроэлектроники, технологии чистых материалов и пр.
Спектроскопия магнитного резонанса представляет собой одно из важнейших направлений современной физики и технологии. Все известные спектрометры магнитного резонанса основаны на использовании высокочастотного электромагнитного поля, индуцирующего резонанс, и поэтому неизбежно содержат тракт высокой частоты в канале возбуждения. Резонанс наблюдается при совпадении частоты приложенного высокочастотного поля с частотой перехода между магнитными подуровнями системы. Проявлением резонанса могут служить как изменения характеристик высокочастотного поля (как в классических спектрометрах ЭПР и ЯМР), так и изменения свойств исследуемой среды (как, например, при оптическом детектировании магнитного резонанса).
Известны реализующие традиционный метод спектроскопии магнитного резонанса (с каналом высокочастотного возбуждения) на базе лазерно-поляриметрической техники регистрации сигнала способ оптического детектирования магнитного резонанса и устройство для его осуществления [2], которое является наиболее близким по решаемой задаче и принятое в качестве прототипа.
Общим у известного устройства и заявляемого изобретения является то, что они состоят из блоков, включающих лазерный источник света, поляризационные элементы, тракт высокой частоты, магнит с исследуемым образцом, оптический детектор и устройство регистрации спектра. В обоих случаях используется поляриметрический принцип спектроскопической регистрации сигнала, возникающего в результате взаимодействия пучка лазерного излучения с образцом, что, в отличие от традиционных неоптических методов регистрации ЭПР, позволяет реализовать высокое пространственное разрешение.
Недостатком известного устройства является обязательное возбуждение исследуемых веществ через тракт высокой частоты, что делает процедуру измерения с помощью известного устройства и всех аналогичных спектрометров, построенных на основе традиционных методов спектроскопии магнитного резонанса, принципиально возмущающей свойства исследуемых веществ. В ряде случаев этот неустранимый недостаток традиционных спектрометров магнитного резонанса существенно ограничивает область и возможности его практического применения.
Техническим результатом заявленного изобретения является возможность исследования магнитных свойств веществ, не возмущенных процедурой измерения.
Указанный технический результат заявленного изобретения достигается перенесением тракта высокой частоты спектрометра в канал регистрации. В этом случае резонанс обнаруживается по поведению спектра спонтанных шумов намагниченности равновесной спиновой системы. Идея предлагаемого спектрометра базируется на эффекте магнитного резонанса в спектре шумов фарадеевского вращения, который был впервые продемонстрирован экспериментально Е.Б. Александровым и В.С. Запасским в 1981 году [1]. Указанный эффект проявляется в виде особенностей спектра мощности шумов вращения плоскости поляризации светового пучка прошедшего через образец (или отраженного от образца) на частоте магнитного резонанса. Эти особенности и представляют собой спектр спонтанного (то есть, ничем не возмущенного) магнитного резонанса исследуемой системы.
Сущность заявляемого изобретения иллюстрируется Фиг. 1, 2.
На Фиг. 1 представлена блочная схема традиционного лазерного спектрометра магнитного резонанса, который содержит лазерный источник света 1, входной поляризационный элемент 2, через который свет 3 от лазерного источника проходит на образец исследуемого вещества 4, размещенный в магните 5, тракт высокой частоты 6, через который осуществляется высокочастотное возбуждение исследуемого образца, поляризационный элемент регистрации 7, через который вторичное излучение 8 от образца проходит на оптический детектор 9, и устройство регистрации спектра 10.
Мощность поступающего на образец высокочастотного поля обычно модулируется, и поляриметрический сигнал балансного фотодетектора регистрируется на частоте этой модуляции в условиях сканирования приложенного к образцу магнитного поля. При этом магнитный резонанс наблюдается как особенность полевой зависимости регистрируемого поляриметрического сигнала.
На Фиг. 2 представлена блочная схема лазерного спектрометра спонтанного магнитного резонанса. Заявленное изобретение содержит лазерный источник света 1, входной поляризационный элемент 2, через который свет 3 от лазерного источника проходит на образец 4, размещенный в магните 5, поляризационный элемент регистрации 6, через который вторичное излучение 7 от образца проходит на оптический детектор 8, тракт высокой частоты 9 и устройство регистрации спектра 10.
Основное конструктивное отличие предлагаемого изобретения - лазерного спектрометра спонтанного магнитного резонанса - от описанного выше традиционного лазерного магнитного спектрометра состоит в том, что тракт высокой частоты располагается на выходе оптического детектора и служит для передачи высокочастотного сигнала в блок его обработки. При этом регистрируемый высокочастотный сигнал формируется спонтанными шумами термодинамически равновесной системы. В традиционных спектрометрах магнитного резонанса тракт высокой частоты располагается на выходе генератора высокочастотного поля и служит для доставки высокочастотной энергии на образец.
Работа заявляемого изобретения осуществляется следующим образом (Фиг. 2).
Линейно-поляризованный лазерный пучок, прошедший через исследуемый образец, помещенный во внешнее (как правило, поперечное) магнитное поле, проходит через поляризационный элемент регистрации и попадает на оптический детектор, расщепляется поляризационным светоделителем на две ортогонально поляризованные компоненты и поступает на вход балансного детектора, подавляющего избыточные световые шумы, скоррелированные в двух каналах, и удваивающего поляризационные шумы, антикоррелированные в двух каналах.
Лазерный луч фокусируется на образце для увеличения шумового сигнала, возрастающего с уменьшением числа частиц в световом пучке. Выходной сигнал балансного оптического детектора обычно поступает на вход широкополосного спектроанализатора, с помощью которого он оцифровывается, подвергается быстрому преобразованию Фурье, и получаемый в результате спектр копится в реальном времени. Такая схема позволяет существенно повысить чувствительность широкополосных поляриметрических измерений.
Физика магнитного резонанса в спектре шумов фарадеевского вращения состоит в следующем. Магнитные моменты любого парамагнетика находятся в постоянном движении, а намагниченность любого конечного объема парамагнетика, в силу конечного числа содержащихся в нем элементарных моментов (спинов) неизбежно флуктуирует. Эти флуктуации можно наблюдать путем детектирования флуктуации угла вращения плоскости поляризации света («фарадеевского вращения»), прошедшего через этот парамагнетик (или отразившегося от него). Корреляционные характеристики этих флуктуаций (шумов) отражаются в спектре и содержат информацию о спиновой динамике системы. Наиболее интересную информацию о динамике спиновой системы может дать спектр шумов вращения плоскости поляризации света, распространяющегося в среде, помещенной в поперечное магнитное поле. В этом случае любая флуктуационная компонента намагниченности, направленная вдоль волнового вектора светового пучка, прецессируя вокруг приложенного магнитного поля на ларморовой частоте, будет создавать знакопеременную проекцию шумовой намагниченности на направление светового луча и приводить к возникновению осциллирующего сигнала вращения плоскости поляризации на частоте ларморовой прецессии. В результате, спектр шумов фарадеевского вращения обнаружит пик на частоте ларморовой прецессии, ширина которого будет определяться поперечной (фазовой) релаксацией спиновой системы. Иначе говоря, спектр шумов фарадеевского вращения, в этих условиях, обнаружит спектр магнитного резонанса исследуемой системы.
Важным достоинством рассматриваемого изобретения - лазерного спектрометра магнитного резонанса, наряду с невозмущающим характером измерительной процедуры, является возможность детектирования магнитного резонанса в отсутствие магнитной поляризации среды, когда населенности магнитных подуровней оказываются равными или почти равными. В этом случае, стандартный метод оптического детектирования ЭПР (как, впрочем, и все методы традиционной ЭПР спектроскопии) оказывается неприменимым, тогда как спектроскопия спонтанного магнитного резонанса позволяет с тем же успехом проводить измерения в предельно низких магнитных полях или при предельно высоких температурах (пока ширина линии резонанса не становится сопоставимой с резонансной частотой).
Интересно, что диапазон частот магнитного резонанса, доступных лазерной спектроскопии спиновых шумов, никак не ограничивается полосой частот фотодетектора и, при использовании в качестве источника пробного излучения лазера в режиме синхронизации мод, генерирующего импульсы субпикосекундной длительности, может достигать области терагерц [3, 4].
Заявленное изобретение было апробировано в лабораторных условиях Санкт-Петербургского государственного университета в режиме реального времени.
В результате экспериментов было подтверждено достижение указанного технического результата: спектры магнитного резонанса легированных полупроводниковых структур были зарегистрированы в условиях их оптического зондирования в области прозрачности, т.е. в условиях когда зондирующий световой поток не вызывает в среде реальных оптических переходов и, тем самым, измерительная процедура является невозмущающей.
Как показали результаты апробации, которые представлены примером, заявленное изобретение позволяет эффективно проводить измерения спектров электронного парамагнитного резонанса полупроводниковых структур в широком диапазоне магнитных полей и частот резонанса. Невозмущающий характер измерительной процедуры был подтвержден отсутствием зависимости результатов измерений от интенсивности пробного лазерного пучка.
Пример. Изобретение было опробовано на объемном образце арсенида галлия, легированного кремнием, с концентрацией носителей заряда 2⋅1016 см-3. Образец имел толщину 300 мкм. Спектры магнитного резонанса были зарегистрированы в диапазоне частот от 30 МГц до 18 ГГц в магнитных полях до 3 Тл с использованием титан-сапфирового лазера в режиме свободной генерации и в режиме синхронизации мод.
Технико-экономическое обоснование эффективности заявляемого изобретения состоит в реализации принципиально невозмущающего метода спектроскопии магнитного резонанса, представляющего особый интерес при диагностике свойств полупроводниковых наноструктур современной электроники и фотоники. Уникальность предлагаемого изобретения также определяется недоступной для всех стандартных спектрометров возможностью регистрации магнитного резонанса при отсутствии магнитной поляризации среды. Кроме того, важными достоинствами предлагаемого изобретения являются простота и связанное с ней удешевление конструкции спектрометра, не содержащего источника высокочастотного возбуждения образца, а также возможность значительного расширения рабочего диапазона частот путем использования лазерных источников в режиме синхронизации мод.
Источники информации
1. Е.Б. Александров и В.С. Запасский, // «Магнитный резонанс в спектре шумов фарадеевского вращения», // ЖЭТФ, том 81, вып. 1(7), с. 132-138, 1981.
2. Р.А. Бабунц, А.А. Солтамова, А.Г. Бадалян, Н.Г. Романов, П.Г. Баранов, // "СПОСОБ ОПТИЧЕСКОГО ДЕТЕКТИРОВАНИЯ МАГНИТНОГО РЕЗОНАНСА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ" // Патент RU 2483316 (заявка №2011147908/28, от 24.11.2011) // (Прототип).
3. S. Starosielec and D. Hogele, // "Ultrafast spin noise spectroscopy," // Appl. Phys. Lett. 93, 051116 (2008).
4. G. Muller, D. Schuh, J. Hubner, and M. Oestreich, // "Electron-spin relaxation in bulk GaAs for doping densities close to the metal-to-insulator transition," // Phys. Rev. В 81, 075216(2010).
Claims (1)
- Лазерный спектрометр магнитного резонанса для исследования свойств веществ, не возмущенных процедурой измерения, который содержит лазерный источник света, входной поляризационный элемент, через который свет от лазерного источника проходит на образец, размещенный в магните, поляризационный элемент регистрации, через который вторичное излучение от образца проходит на оптический детектор, устройство регистрации спектра и тракт высокой частоты, отличающийся тем, что тракт высокой частоты расположен между оптическим детектором и устройством регистрации спектра.
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2017140821A RU2665588C1 (ru) | 2017-11-23 | 2017-11-23 | Лазерный спектрометр магнитного резонанса |
| EA201700585A EA033873B1 (ru) | 2017-11-23 | 2017-12-21 | Лазерный спектрометр магнитного резонанса |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2017140821A RU2665588C1 (ru) | 2017-11-23 | 2017-11-23 | Лазерный спектрометр магнитного резонанса |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2665588C1 true RU2665588C1 (ru) | 2018-08-31 |
Family
ID=63459830
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2017140821A RU2665588C1 (ru) | 2017-11-23 | 2017-11-23 | Лазерный спектрометр магнитного резонанса |
Country Status (2)
| Country | Link |
|---|---|
| EA (1) | EA033873B1 (ru) |
| RU (1) | RU2665588C1 (ru) |
Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| GB2137357A (en) * | 1983-03-30 | 1984-10-03 | Litton Systems Inc | Optical pumping of a nuclear magnetic resonance (nmr) cell |
| RU2186405C2 (ru) * | 1996-03-29 | 2002-07-27 | Лоренс Беркли Нэшнл Лэборэтори | Усиление ядерного магнитного резонанса (ямр) и магниторезонансной визуализации (мрв) в присутствии гиперполяризованных благородных газов |
| CN102830381A (zh) * | 2012-08-15 | 2012-12-19 | 中国科学院武汉物理与数学研究所 | 一种基于激光原子磁力计的nmr装置及测量方法 |
| CN202942216U (zh) * | 2012-11-28 | 2013-05-22 | 徐州医学院 | Ct、mri、ect图像互用的影像诊断装置 |
| RU2483316C1 (ru) * | 2011-11-24 | 2013-05-27 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук | Способ оптического детектирования магнитного резонанса и устройство для его осуществления |
| CN103969604A (zh) * | 2014-05-30 | 2014-08-06 | 华南师范大学 | 射频原子磁力仪及其测量核磁共振信号的方法 |
-
2017
- 2017-11-23 RU RU2017140821A patent/RU2665588C1/ru active
- 2017-12-21 EA EA201700585A patent/EA033873B1/ru not_active IP Right Cessation
Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| GB2137357A (en) * | 1983-03-30 | 1984-10-03 | Litton Systems Inc | Optical pumping of a nuclear magnetic resonance (nmr) cell |
| RU2186405C2 (ru) * | 1996-03-29 | 2002-07-27 | Лоренс Беркли Нэшнл Лэборэтори | Усиление ядерного магнитного резонанса (ямр) и магниторезонансной визуализации (мрв) в присутствии гиперполяризованных благородных газов |
| RU2483316C1 (ru) * | 2011-11-24 | 2013-05-27 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук | Способ оптического детектирования магнитного резонанса и устройство для его осуществления |
| CN102830381A (zh) * | 2012-08-15 | 2012-12-19 | 中国科学院武汉物理与数学研究所 | 一种基于激光原子磁力计的nmr装置及测量方法 |
| CN202942216U (zh) * | 2012-11-28 | 2013-05-22 | 徐州医学院 | Ct、mri、ect图像互用的影像诊断装置 |
| CN103969604A (zh) * | 2014-05-30 | 2014-08-06 | 华南师范大学 | 射频原子磁力仪及其测量核磁共振信号的方法 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| EA033873B1 (ru) | 2019-12-04 |
| EA201700585A1 (ru) | 2019-05-31 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Budker et al. | Nonlinear magneto-optical rotation with frequency-modulated light | |
| London et al. | Detecting and polarizing nuclear spins with double resonance on a single electron spin | |
| Horrom et al. | Quantum-enhanced magnetometer with low-frequency squeezing | |
| Shah et al. | High Bandwidth Atomic Magnetometery<? format?> with Continuous Quantum Nondemolition Measurements | |
| US9869731B1 (en) | Wavelength-modulated coherence pumping and hyperfine repumping for an atomic magnetometer | |
| Lucivero et al. | Femtotesla direct magnetic gradiometer using a single multipass cell | |
| Pustelny et al. | Magnetometry based on nonlinear magneto-optical rotation with amplitude-modulated light | |
| Wood et al. | Wide-band nanoscale magnetic resonance spectroscopy using quantum relaxation of a single spin in diamond | |
| Lucivero et al. | Shot-noise-limited magnetometer with sub-picotesla sensitivity at room temperature | |
| US10533836B2 (en) | Multidimensional coherent spectroscopy using frequency combs | |
| Jimenez-Martinez et al. | An optically modulated zero-field atomic magnetometer with suppressed spin-exchange broadening | |
| Cohen et al. | A cold atom radio-frequency magnetometer | |
| RU2483316C1 (ru) | Способ оптического детектирования магнитного резонанса и устройство для его осуществления | |
| Pagliero et al. | Time-resolved, optically detected NMR of fluids at high magnetic field | |
| PL224509B1 (pl) | Sposób i urządzenie do pomiaru zmian pola magnetycznego | |
| Swar et al. | Detection of spin coherence in cold atoms via Faraday rotation fluctuations | |
| Fregosi et al. | Magnetic induction imaging with a cold-atom radio frequency magnetometer | |
| RU183351U1 (ru) | Устройство для оптической регистрации магнитного резонанса | |
| Herbschleb et al. | Low-frequency quantum sensing | |
| RU2665588C1 (ru) | Лазерный спектрометр магнитного резонанса | |
| Bevilacqua et al. | Atomic orientation driven by broadly-frequency-modulated radiation: Theory and experiment | |
| Chalupczak et al. | Optical–radio-frequency resonances free from power broadening | |
| Alipieva et al. | Potential of the single-frequency CPT resonances for magnetic field measurement | |
| JP2022551123A (ja) | 原子スピン配向の生成のための方法およびシステム | |
| Shu-Guang et al. | Experimental investigation on a highly sensitive atomic magnetometer |