RU2691774C1 - Optical magnetometer - Google Patents
Optical magnetometer Download PDFInfo
- Publication number
- RU2691774C1 RU2691774C1 RU2018123465A RU2018123465A RU2691774C1 RU 2691774 C1 RU2691774 C1 RU 2691774C1 RU 2018123465 A RU2018123465 A RU 2018123465A RU 2018123465 A RU2018123465 A RU 2018123465A RU 2691774 C1 RU2691774 C1 RU 2691774C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- frequency
- generator
- input
- output
- magnetometer
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
- G01R33/00—Arrangements or instruments for measuring magnetic variables
- G01R33/12—Measuring magnetic properties of articles or specimens of solids or fluids
- G01R33/1284—Spin resolved measurements; Influencing spins during measurements, e.g. in spintronics devices
Abstract
Description
Изобретение относится к нанотехнологиям и может быть использовано в области разработки материалов на основе карбида кремния для магнитометрии, квантовой оптики, биомедицины, а также в информационных технологиях, основанных на квантовых свойствах спинов и одиночных фотонов.The invention relates to nanotechnology and can be used in the development of materials based on silicon carbide for magnetometry, quantum optics, biomedicine, as well as in information technology based on the quantum properties of spins and single photons.
Обнаружение слабых магнитных полей с высоким пространственным разрешением на уровне микро- и нанометров является важной проблемой в различных областях, начиная от фундаментальной физики и материаловедения до хранения данных и биомедицинской науки. Например, на расстоянии 10 нм, спин одного электрона создает магнитное поле около 1 мкТл, и соответствующее поле, создаваемое ядром одного протона несколько нТл. Датчик, способный обнаружить такие магнитные поля с нанометровым пространственным разрешением, найдет широкие приложения, начиная от обнаружения сигналов магнитного резонанса от отдельного электронного или ядерного спинов в сложных биологических молекулах до считывания классических или квантовых битов информации, закодированной в электронной или ядерной спиновой памяти. Особую роль в магнитометрии играют оптические магнитометры для измерения слабых магнитных полей, основанные на спиновых свойствах паров щелочных элементов (см., например, D. Budker and М.V. Romalis. - Optical Magnetometry. - Nature Physics, V. 3, p. 227-234, 2007), однако такие магнитометры, обладая высокой чувствительностью, не могут обеспечить высокое пространственное разрешение с микронным и, тем более, субмикронным разрешением, так как требуют использования сравнительно больших объемов атомных паров с размерами ячеек не меньше миллиметровых значений.Detection of weak magnetic fields with high spatial resolution at the level of micro- and nanometers is an important problem in various fields, ranging from basic physics and materials science to data storage and biomedical science. For example, at a distance of 10 nm, the spin of one electron creates a magnetic field of about 1 μT, and the corresponding field created by the nucleus of one proton is several nT. A sensor capable of detecting such magnetic fields with nanometer spatial resolution will find wide applications ranging from detecting magnetic resonance signals from single electron or nuclear spins in complex biological molecules to reading classical or quantum information bits encoded in electron or nuclear spin memory. A special role in magnetometry is played by optical magnetometers for measuring weak magnetic fields based on the spin properties of vapors of alkaline elements (see, for example, D. Budker and M.V. Romalis. - Optical Magnetometry. - Nature Physics, V. 3, p. 227-234, 2007), however, such magnetometers, possessing high sensitivity, cannot provide high spatial resolution with micron and, especially, submicron resolution, since they require the use of relatively large volumes of atomic vapors with cell sizes not less than millimeter values.
После открытия уникальных излучающих свойств NV центров в алмазе, позволяющих оптически детектировать магнитный резонанс в основном состоянии NV центров при комнатной температуре, вплоть до регистрации магнитного резонанса на одиночных дефектах атомных размеров (см. A. Gruber, A. Drabenstedt, С. Tietz, L. Fleury, J. Wrachtrup, С. Von Borczyskowski. - Scanning Confocal Optical Microscopy and Magnetic Resonance on Single Defect Centers. - Science, v. 276, pp. - 2012-2014, 1997,; J. Wrachtrup, F. Jelezko, Processing quantum information in diamond. - J. Phys.: Condens. Matter, v. 18, S807, 2006), появилась возможность создания оптических квантовых магнитометров для измерения магнитных полей с наноразмерным разрешением. NV центр, представляющий собой вакансию углерода (V), в ближайшей координационной сфере которой один из четырех атомов углерода заменен атомом азота (N), имеет основное триплетное спиновое состояние, населенности спиновых уровней которого селективно заселяются под действием оптического излучения. Принцип магнитометрии с такими спиновыми центрами основан на оптическом детектировании магнитного резонанса (ОДМР) во внешнем магнитном поле, которое необходимо измерить.After the discovery of the unique radiating properties of NV centers in diamond, which allow optical detection of magnetic resonance in the ground state of NV centers at room temperature, up to recording magnetic resonance on single atomic-sized defects (see A. Gruber, A. Drabenstedt, S. Tietz, L Fleury, J. Wrachtrup, S. Von Borczyskowski. - Scanning Confocal Optical Microscopy and Magnetic Resonance on Single Defect Centers. - Science, v. 276, pp. - 2012-2014, 1997, J. Wrachtrup, F. Jelezko, Processing quantum information in diamond. - J. Phys .: Condens. Matter, v. 18, S807, 2006), it became possible to create optical quantum magnetometers for measuring magnetic Olya 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 the main triplet spin state, the populations of which spin levels are selectively populated under the action of optical radiation. The principle of magnetometry with such spin centers is based on optical magnetic resonance detection (ODMR) in an external magnetic field, which must be measured.
Известен оптический магнитометр с использованием NV центров в алмазе, работающий при комнатной температуре (J.М. Taylor, P. Cappellaro, L. Childress, L. Jiang, D. Budker, P.R. Hemmer, A. Yacoby, R. Walsworth, and M. D. Lukin. - Nat. Phys. v. 4, 810, 2008), включающий генератор СВЧ, работающий в диапазоне 2.5-3 ГГц, генератор низкой частоты, модулирующий мощность генератора СВЧ, лазер 532 нм, фокусирующую оптическую систему в виде системы линз, зеркал и фильтров, систему регистрации в виде лавинного фотодиода, активный материал в виде низко размерного кристалла алмаза с NV центрами (нанокристалла), помещенного на зонд атомно-силового микроскопа. Измерения магнитного поля производят методом оптического детектирования магнитного резонанса по интенсивности люминесценции, излучаемой NV центрами. Магнитное поле определяют путем измерения частоты магнитного резонанса, которая зависит от зеемановского сдвига спиновых уровней в магнитном поле.An optical magnetometer using NV centers in diamond operating at room temperature is known (J.M. Taylor, P. Cappellaro, L. Childress, L. Jiang, D. Budker, PR Hemmer, A. Yacoby, R. Walsworth, and MD Lukin. - Nat. Phys. V. 4, 810, 2008), including a microwave generator operating in the 2.5-3 GHz range, a low frequency generator modulating the power of the microwave generator, a 532 nm laser focusing the optical system in the form of a system of lenses, mirrors and filters, the registration system in the form of an avalanche photodiode, the active material in the form of a low-sized diamond crystal with NV centers (nanocrystal) placed on the probe of an atomic force microscope. Magnetic field measurements are made by optical detection of magnetic resonance by the intensity of the luminescence emitted by NV centers. The magnetic field is determined by measuring the frequency of magnetic resonance, which depends on the Zeeman shift of the spin levels in a magnetic field.
Недостатками известного оптического магнитометра является сравнительно большая ширина линии ОДМР NV центров, использование алмазов с NV центрами в качестве активного материала магнитометра, технология получения которого чрезвычайно дорогостоящая и относительно слабо развита. Кроме того, используют оптический диапазон в видимой области, который плохо совмещается с волоконной оптикой на основе кремния, а также с полосой прозрачности биологических систем. Расщепление тонкой структуры NV центров сильно зависит от окружающей температуры, поэтому необходимы дополнительные устройства для погашения нежелательных температурных воздействий. Использование нанокристалла алмаза требует предварительного нахождения ориентации кристалла в пространстве для определения ориентации NV центров.The disadvantages of the known optical magnetometer is the relatively large width of the line ODMR NV centers, the use of diamonds with NV centers as the active material of the magnetometer, the technology for which is extremely expensive and relatively poorly developed. In addition, they use the optical range in the visible region, which is poorly combined with silicon-based fiber optics, as well as with the transparency band of biological systems. The splitting of the fine structure of NV centers strongly depends on the ambient temperature, therefore additional devices are needed to offset the undesirable temperature effects. The use of a diamond nanocrystal requires the preliminary determination of the orientation of the crystal in space to determine the orientation of NV centers.
Известен оптический магнитометр, основанный на электронных спинах в твердотельной среде, таких как дефекты в кристаллах и полупроводниках, который использует отдельные электронные спины или электронные спиновые системы (см. патент US 8547090, МПК G01R 33/02, опубликован 01.10.2013), включающий генератор СВЧ излучения, с системой создания импульсных последовательностей СВЧ излучения, оптическую систему для сбора и передачи фотонов оптического излучения, активный материал в виде кристалла алмаза, включающего один или несколько NV центров, имеющих один или несколько электронных спинов, источник оптического излучения, например лазер, детектор. При высоких спиновых плотностях, необходимы способы и системы для развязки электронных спинов друг от друга и от локальной среды. В магнитометре электронные спины контролируют путем применения к электронным спинам последовательности СВЧ импульсов, которые позволяют динамически уменьшить спин-спиновые взаимодействия и взаимодействия с решеткой.An optical magnetometer based on electron spins in a solid-state medium, such as defects in crystals and semiconductors, which uses separate electron spins or electron spin systems (see US Patent 8547090, IPC G01R33 / 02, published on 10/01/2013), includes a generator Microwave radiation, with a system for creating pulse sequences of microwave radiation, an optical system for collecting and transmitting photons of optical radiation, the active material in the form of a diamond crystal, comprising one or several NV centers having one Do some of the electron spins, the source of optical radiation, for example laser detector. At high spin densities, methods and systems are necessary for decoupling electron spins from each other and from the local environment. In the magnetometer, the electron spins are controlled by applying microwave sequences to the electron spins, which dynamically reduce spin-spin interactions and lattice interactions.
Недостатками известного оптического магнитометра является использование алмазов с NV центрами в качестве активного материала магнитометра, технология получения которого чрезвычайно дорогостоящая и относительно слабо развита. Кроме того, используют оптический диапазон в видимой области, который плохо совмещается с волоконной оптикой на основе кремния, а также с полосой прозрачности биологических систем. Также необходимо использовать сложные импульсные последовательности СВЧ излучения, которое усложняет конструкцию, создает дополнительные шумы. Расщепление тонкой структуры NV центров сильно зависит от окружающей температуры, поэтому необходимы дополнительные устройства для погашения нежелательных температурных воздействий.The disadvantages of the known optical magnetometer is the use of diamonds with NV centers as the active material of the magnetometer, the technology for which is extremely expensive and relatively poorly developed. In addition, they use the optical range in the visible region, which is poorly combined with silicon-based fiber optics, as well as with the transparency band of biological systems. It is also necessary to use complex pulse sequences of microwave radiation, which complicates the design, creates additional noise. The splitting of the fine structure of NV centers strongly depends on the ambient temperature, therefore additional devices are needed to offset the undesirable temperature effects.
Известен оптический магнитометр на NV дефектах в алмазе (см. патент US 8947080, МПК G01R 33/02; G01R 33/00; G01V 3/08, опубликован 03.02.2015), включающий генератор СВЧ излучения, лазер, излучающий в диапазоне 532 нм, фокусирующую оптическую систему в виде системы линз, зеркал и фильтров, систему регистрации в виде лавинного фотодиода, активный материал в виде кристалла алмаза с высокой плотностью NV центров для измерения магнитных полей, создаваемых протяженными или удаленными объектами. Измерения магнитного поля производят методом оптического детектирования магнитного резонанса по изменению интенсивности люминесценции излучаемой NV центрами в условиях магнитного резонанса. Магнитное поле определяют путем измерения частоты магнитного резонанса, которая зависит от зеемановского сдвига спиновых уровней в магнитном поле.An optical magnetometer for NV defects in diamond is known (see patent US 8947080, IPC G01R 33/02; G01R 33/00; G01V 3/08, published 03.02.2015), including a microwave radiation generator, a laser emitting in the range of 532 nm, focusing optical system in the form of a system of lenses, mirrors and filters, a registration system in the form of an avalanche photodiode, active material in the form of a diamond crystal with a high density of NV centers for measuring magnetic fields created by extended or distant objects. Magnetic field measurements are produced by optical detection of magnetic resonance by changing the luminescence intensity emitted by NV centers under conditions of magnetic resonance. The magnetic field is determined by measuring the frequency of magnetic resonance, which depends on the Zeeman shift of the spin levels in a magnetic field.
Недостатками известного оптического магнитометра является сравнительно большая ширина линии ОДМР, составляющая несколько мегагерц, использование алмазов с NV центрами в качестве активного материала магнитометра, технология получения которого чрезвычайно дорогостоящая и относительно слабо развита. Кроме того, используют оптический диапазон в видимой области, который плохо совмещается с волоконной оптикой на основе кремния, а также с полосой прозрачности биологических систем, что приводит к нагреванию последних при измерениях. Расщепление тонкой структуры NV центров сильно зависит от окружающей температуры, поэтому необходимы дополнительные устройства для погашения нежелательных температурных воздействий. Зависимость частоты от магнитного поля пропорциональна гиромагнитному отношению у, что определяет чувствительность устройства, которая в ряде измерений является недостаточной.The disadvantages of the known optical magnetometer is the relatively large width of the ODMR line, which is several megahertz, the use of diamonds with NV centers as the active material of the magnetometer, the technology for which is extremely expensive and relatively poorly developed. In addition, they use the optical range in the visible region, which is poorly combined with silicon-based fiber optics, as well as with the transparency band of biological systems, which leads to the latter being heated during measurements. The splitting of the fine structure of NV centers strongly depends on the ambient temperature, therefore additional devices are needed to offset the undesirable temperature effects. The dependence of frequency on the magnetic field is proportional to the gyromagnetic ratio y, which determines the sensitivity of the device, which in some measurements is insufficient.
Известен оптический магнитометр (см. патент RU 2607840, МПК H01S 5/00, опубликован 10.02.2015), совпадающий с настоящим решением по наибольшему числу существенных признаков и принятый за прототип. Оптический магнитометр-прототип включает низкочастотный (НЧ) генератор, конденсатор, по меньшей мере одну катушку электромагнита, активный материал в виде кристалла карбида кремния, содержащий по меньшей мере один спиновый центр на основе вакансии кремния с основным квадруплетным состоянием, источник постоянного тока для питания катушки электромагнита постоянным током, синхронный детектор, блок управления, лазер, излучающий в ближней инфракрасной (ИК) области, оптически связанный через полупрозрачное зеркало, зеркало и объектив с активным материалом, фотоприемник, оптически соединенный с активным материалом через объектив, зеркало, полупрозрачное зеркало и светофильтр. Первый выход НЧ генератора через конденсатор соединен с катушкой электромагнита, к которой подключен также выход источника постоянного тока, второй выход НЧ генератора 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.Known optical magnetometer (see patent RU 2607840, IPC
В качестве активного материала используют монокристалл SiC гексагонального или ромбического политипа, содержащий спиновые центры на основе вакансии кремния с основным квадруплетным состоянием, в виде пластины с плоскостью, перпендикулярной гексагональной оси симметрии с кристалла. С помощью оптической фокусировки возбуждающего луча лазера выделяют рабочий объем образца, с которого снимают фотолюминесценцию спиновых центров. Путем подачи постоянного магнитного поля смещения создают условия антипересечения уровней спиновых центров, при этом величина магнитного поля является фиксированной для каждого типа спиновых центров. В этих условиях измеряют изменение интенсивности фотолюминесценции с помощью синхронного детектора, регистрирующего сигнал антипересечения уровней на частоте модуляции магнитного поля, которое подают одновременно с постоянным магнитным полем смещения, при этом сигнал детектируют в виде производной изменения фотолюминесценции. Настройка магнитометра с помощью подачи смещения в виде постоянного магнитного поля осуществлялась таким образом, чтобы нулевой сигнал с синхронного детектора был в центре резонанса, обусловленного антипересечением уровней. Слабое магнитное поле, которое предполагается измерить, приводит к сигналу оптического отклика в виде изменения фотолюминесценции спиновых центров в области антипересечения спиновых уровней, величина которого зависит от крутизны сигнала антипересечения уровней в виде производной, знак определяет направление отклонения магнитного поля в сторону увеличения или уменьшения от реперной величины смещения магнитного поля. Для измерения распределения магнитных полей в исследуемом образце, например в виде пленки, образец помещают на поверхность пластины карбида кремния, содержащего спиновые центры на основе вакансии кремния с основным квадруплетным состоянием, равномерно распределенные вблизи поверхности пластины и повторяют все операции, исследуя отклонения магнитных полей от реперных величин, полученных при отсутствии исследуемого образца.A single crystal SiC hexagonal or orthorhombic polytype is used as an active material. It contains spin centers based on silicon vacancies with a ground quadruplet state in the form of a plate with a plane perpendicular to the hexagonal symmetry axis of the crystal. Using the optical focusing of the excitation beam of the laser, the working volume of the sample is isolated, from which the photoluminescence of the spin centers is removed. By supplying a constant magnetic field, displacements create conditions for anticrossing of the levels of spin centers, and the magnitude of the magnetic field is fixed for each type of spin centers. Under these conditions, the change in the photoluminescence intensity is measured using a synchronous detector, which records the level anti-crossing signal at the modulation frequency of the magnetic field, which is supplied simultaneously with the constant displacement magnetic field, and the signal is detected as a derivative of the photoluminescence change. The magnetometer was set up by applying an offset in the form of a constant magnetic field in such a way that the zero signal from the synchronous detector was at the center of the resonance caused by the level anti-intersection. The weak magnetic field, which is supposed to be measured, leads to an optical response signal in the form of a change in the photoluminescence of spin centers in the anticrossing region of spin levels, the value of which depends on the steepness of the anticrossing signal in the form of a derivative, the sign determines the direction of deflection of the magnetic field in the direction of increasing or decreasing from the reference magnitude displacement of the magnetic field. To measure the distribution of magnetic fields in the sample under study, for example, in the form of a film, the sample is placed on the surface of a silicon carbide plate containing spin centers based on a silicon vacancy with the ground quadruplet state, uniformly distributed near the plate surface and repeating all operations, examining the deviations of the magnetic fields from the reference values obtained in the absence of the sample.
К недостаткам оптического магнитометра-прототипа относится сравнительно большая ширина линии сигнала оптического отклика в области антипересечения уровней, которую используют для измерения магнитного поля, и сравнимая с сигналом ОДМР, ширина которого составляет несколько МГц.The disadvantages of the prototype optical magnetometer include the relatively large width of the signal line of the optical response in the level of anticrossing, which is used to measure the magnetic field, and is comparable to the ODMR signal, which is several MHz wide.
Задачей настоящего технического решения является разработка оптического магнитометра, который бы обеспечивал сужение линии ОДМР и возможность использования для измерения магнитного поля высокочастотных сигналов, что позволяет увеличить чувствительность магнитометра.The objective of this technical solution is the development of an optical magnetometer, which would provide a narrowing of the ODMR line and the possibility of using high-frequency signals for measuring the magnetic field, which allows to increase the sensitivity of the magnetometer.
Поставленная задача решается тем, что оптический магнитометр включает активный материал в виде кристалла карбида кремния, содержащего спиновые центры с основным квадруплетным спиновым состоянием, помещенный в устройство подачи высокочастотной (ВЧ) мощности, лазер, излучающий в ближней ИК области, электромагнит, объектив, полупрозрачное зеркало, фильтр, фотоприемник, синхронный детектор, низкочастотный генератор, высокочастотный генератор переменной частоты, высокочастотный генератор постоянной частоты, источник постоянного тока и блок управления. Лазер оптически соединен через полупрозрачное зеркало и объектив с активным материалом, который через объектив, полупрозрачное зеркало и фильтр оптически соединен с фотоприемником. Вход/выход высокочастотного генератора переменной частоты соединен с первым входом/выходом блока управления. Выход низкочастотного генератора подключен к входу высокочастотного генератора переменной частоты и первыму входу синхронного детектора, второй вход которого соединен с выходом фотоприемника. Выход синхронного детектора подключен к входу блока управления, выход которого соединен с входом высокочастотного генератора постоянной частоты. Выходы высокочастотного генератора постоянной частоты и высокочастотного генератора переменной частоты соединены с устройством подачи ВЧ мощности. Вход/выход источника постоянного тока подключен к второму входу/выходу блока управления, а выход источника постоянного тока соединен с электромагнитом.The problem is solved in that the optical magnetometer includes an active material in the form of a silicon carbide crystal containing spin centers with the main quadruplet spin state, placed in a high-frequency (RF) power supply device, a laser emitting in the near-IR region, an electromagnet, a lens, a semi-transparent mirror , filter, photodetector, synchronous detector, low-frequency generator, high-frequency variable frequency generator, high-frequency constant frequency generator, constant current source and b ok Control. The laser is optically connected through a translucent mirror and a lens with an active material, which is optically connected to the photodetector through a lens, a translucent mirror and a filter. The input / output of the high-frequency variable-frequency generator is connected to the first input / output of the control unit. The output of the low-frequency generator is connected to the input of the high-frequency variable frequency generator and the first input of the synchronous detector, the second input of which 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 high-frequency constant-frequency generator. The outputs of the high-frequency constant-frequency generator and the high-frequency variable-frequency generator are connected to the RF power supply device. The input / output of the DC source is connected to the second input / output of the control unit, and the output of the DC source is connected to the electromagnet.
Активный материал может быть размещен на сканирующем столике конфокального микроскопа с пьезоэлементом, способным осуществлять возвратно-поступательное перемещение в трех взаимно перпендикулярных направлениях.The active material can be placed on the scanning table of a confocal microscope with a piezoelectric element capable of reciprocating in three mutually perpendicular directions.
Активный материал может быть выполнен в виде пластины кристалла карбида кремния гексагонального или ромбического политипа, плоскость которого перпендикулярна гексагональной оси с кристалла, вдоль которой ориентированы оси спиновых центров с основным квадруплетным спиновым состоянием.The active material can be made in the form of a plate of silicon carbide crystal of hexagonal or rhombic polytype, the plane of which is perpendicular to the hexagonal axis of the crystal, along which the axes of the spin centers with the main quadruplet spin state are oriented.
Активный материал может быть выполнен в виде наноразмерного кристалла карбида кремния.The active material can be made in the form of a nano-sized silicon carbide crystal.
Устройство подачи ВЧ мощности может быть выполнено в виде витка или в виде катушки.The RF power supply device can be made in the form of a coil or in the form of a coil.
Фотоприемник может быть выполнен в виде фотоэлектронного умножителя, или фотодиода, или лавинного фотодиода.The photodetector can be made in the form of a photomultiplier tube, or a photodiode, or an avalanche photodiode.
Новым в настоящем техническом решении является то, что в оптический магнитометр введен высокочастотный генератор переменной частоты, высокочастотный генератор постоянной частоты и устройство подачи ВЧ мощности, вход высокочастотного генератора постоянной частоты соединен с выходом блока управления, вход/выход высокочастотного генератора переменной частоты соединен с первым входом/выходом блока управления, а выходы высокочастотного генератора постоянной частоты и высокочастотного генератора переменной частоты соединены с устройством подачи ВЧ мощности, выход генератора низкой частоты подключен к входу высокочастотного генератора переменной частоты.New in this technical solution is that a variable frequency high frequency generator, a high frequency constant frequency generator and RF power supply device are introduced into the optical magnetometer, the input of the high frequency constant frequency generator is connected to the output of the control unit, the input / output of the high frequency variable frequency generator is connected to the first input the output of the control unit, and the outputs of the high frequency constant frequency generator and high frequency variable frequency generator are connected to the device RF power supply, the output of the low-frequency generator is connected to the input of a high-frequency variable-frequency generator.
Настоящий оптический магнитометр поясняется чертежами, гдеThis optical magnetometer is illustrated by drawings, where
на фиг. 1 приведена блок-схема настоящего оптического магнитометра;in fig. 1 shows the block diagram of the present optical magnetometer;
На фиг. 2 представлена структура спиновых уровней в магнитном поле, поясняющая физическую природу появления провала на частоте f(н) ВЧ генератора постоянной частоты, и провалов на частотах f(c) перестраиваемого по частоте радиочастотного электромагнитного сигнала;FIG. 2 shows the structure of spin levels in a magnetic field, explaining the physical nature of the appearance of a dip at a frequency f (n) of an RF constant-frequency generator, and dips at frequencies f (c) of a radio frequency electromagnetic signal tunable in frequency;
на фиг. 3 приведена кривая зависимости изменения интенсивности люминесценции спиновых центров с основным квадруплетным спиновым состоянием активного материала от частоты перестраиваемого по частоте радиочастотного электромагнитного поля модулированного по амплитуде в присутствии постоянного магнитного поля.in fig. Figure 3 shows the curve of the dependence of the luminescence intensity of spin centers with the main quadruplet spin state of the active material on the frequency of the frequency-tunable radio-frequency electromagnetic field modulated in amplitude in the presence of a constant magnetic field.
Настоящий оптический магнитометр (см. фиг. 1) включает активный материал 1 в виде кристалла карбида кремния гексагонального или ромбического политипа, содержащего спиновые центры с основным квадруплетным спиновым состоянием и помещенный в устройство 2 подачи высокочастотной (ВЧ) мощности, лазер (Л)3, излучающий в ближней инфракрасной области, электромагнит 4, объектив 5, полупрозрачное зеркало 6, фильтр 7, фотоприемник (ФП) 8, выполненный, например, в виде ФЭУ, фотодиода, лавинного фотодиода; синхронный детектор (СД) 9, низкочастотный генератор (ГНЧ) 10, высокочастотный генератор (ГВЧПР) 11 переменной частоты, высокочастотный генератор (ГВЧП) 12 постоянной частоты, источник (ИПТ) 13 постоянного тока и блок управления (БУ) 14. Оптический магнитометр может включать также сканирующий столик 15 конфокального микроскопа с пьезоэлементом 16, способный осуществлять возвратно-поступательное перемещение в трех взаимно перпендикулярных направлениях под действием управляющих напряжений пьезоэлемента 16, на котором расположен активный материал 1. Л 3 оптически соединен через полупрозрачное зеркало 6 и объектив 5 с активным материалом 1, который через объектив 5, полупрозрачное зеркало 6 и фильтр 7 оптически соединен с ФП 8. Вход/выход ГВЧПР 11 соединен с первым входом/выходом БУ 14, выход ГНЧ 10 соединен с входом ГВЧПР 11 и первым входом СД 9, второй вход которого соединен с выходом ФП 8. Выход СД 9 соединен с входом БУ 14, выход которого соединен с входом ГВЧП 12. выходы ГВЧП 12 и ГВЧПР 11 соединены с устройством 2 подачи ВЧ мощности. Выход БУ 14 соединен с входом ИПТ 13, вход/выход ИПТ 13 соединен с вторым входом/выходом блока управления, а выход ИПТ 13 подключен к электромагниту 4.This optical magnetometer (see Fig. 1) includes an active material 1 in the form of a silicon carbide crystal of hexagonal or orthorhombic polytype containing spin centers with basic quadruplet spin state and placed in a high-frequency (RF)
Настоящий оптический магнитометр работает следующим образом. Сфокусированным излучением Л 3 выделяют объем в активном материале 1 кристалла карбида кремния, содержащего спиновые центры с основным квадруплетным спиновым состоянием, в точке измерения магнитного поля. На устройство 2 подают постоянный по амплитуде радиочастотный электромагнитный сигнал, создаваемый ГВЧП 12 на заданной частоте, находящейся в пределах ширины линии ОДМР. В результате «выжигается» провал в населенности состояния MS=-1/2 путем перевода части спиновых центров в состояние MS=-3/2 (см. фиг. 2), что изменяет контраст в спектре ОДМР. Далее на устройство 2 подают перестраиваемый по частоте радиочастотный электромагнитный сигнал от ГВЧПР 11, например, в диапазоне от 1 МГц до 6 ГГЦ, модулированный низкой частотой в частотном диапазоне от сотен герц до килогерц в виде, например, модуляции амплитуды или частоты, на котором осуществляют детектирование с помощью ФП 8 и СД 9 изменения интенсивности люминесценции спиновых центров с основным квадруплетным спиновым состоянием при различной частоте перестраиваемого по частоте электромагнитного поля. В результате, наряду с сигналом «выжигаемого» провала от постоянного по амплитуде радиочастотного электромагнитного сигнала от ГВЧП 12 регистрируют связанные с этим сигналом перегибы кривых изменения интенсивности люминесценции в виде провалов на частотах f(ci), (где i=1, 2): с одной или с двух сторон от провала на частоте f(н) (см. фиг. 3). Для компенсации внешнего магнитного поля и/или подачи смещения магнитного поля в точку измерения магнитного поля используют электромагнит 4 подключенный к ИПТ 13, который, в свою очередь, поддерживает постоянный ток в электромагните 4, тем самым фиксирует постоянное магнитное поле, создаваемое электромагнитом 4. Происхождение провалов объясняется следующим образом: сигнал на частоте ГВЧП 12 насыщает спиновый переход MS=-1/2↔MS=-3/2 с одним конкретным расщеплением тонкой структуры. Из-за спиновой релаксации он воздействует на переход MS=+1/2↔MS=+3/2 с тем же расщеплением тонкой структуры. В соответствие с зеемановским расщеплением в магнитном поле провал должен появиться при частоте f(c1)=f(н)+2γB,This optical magnetometer works as follows. Focused radiation of
где В - постоянное магнитное поле, Тл;where B is a constant magnetic field, T;
γ=1.8548.10-23 Дж/Тл или γ=28 МГц/мТл - гиромагнитное отношение для электронного магнитного момента спинового центра.γ = 1.8548.10-23 J / Tl or γ = 28 MHz / mT is the gyromagnetic ratio for the electronic magnetic moment of the spin center.
Таким образом, коэффициент для линейной зависимости от магнитного поля равен 2γ, то есть в два раза выше по сравнению с использованием стандартного ОДМР, где соответствующий коэффициент равен гиромагнитному отношению γ. Если неоднородное уширение больше зеемановского расщепления, то тот же сигнал от ГВЧП 12 также насыщает переход MS=+1/2↔MS=+3/2, но с другим расщеплением тонкой структуры. Соответственно, он влияет на переход (MS=-1/2↔MS=-3/2), а второй провал появляется при f(c2)=f(н)-2γB. Оба провала могут использоваться для измерения магнитного поля, причем расстояние между ними 4γВ, то есть коэффициент для линейной зависимости от магнитного поля повышается еще в два раза и равен 4γ. Таким образом, для измерения магнитного поля измеряют частоты провалов, зависящие от расщепления зеемановских уровней для основного квадруплетного спинового состояния S=3/2 спиновых центров в активном материале 1 и, в соответствии с формулой для зеемановского расщепления спиновых уровней, рассчитывают по разнице частот измеряемое магнитное поле, в котором находится область активного материала 1, возбуждаемая сфокусированным излучением Л 3. Используют одну из формул: если имеется один провал с частотой f(c1), то B=|f(c1)-f(н)|/(2γ); если видны оба провала с частотами f(c1) и f(c2): В=|f(c1)-f(c2)|/(4γ).Thus, the coefficient for a linear dependence on the magnetic field is 2γ, that is, two times higher than using standard ODMR, where the corresponding coefficient is equal to the gyromagnetic ratio γ. If the inhomogeneous broadening is greater than the Zeeman splitting, then the same signal from GWHP 12 also saturates the transition M S = + 1 / 2↔M S = + 3/2, but with a different splitting of the fine structure. Accordingly, it affects the transition (M S = -1 / 2↔M S = -3 / 2), and the second dip appears at f (c2) = f (n) -2γB. Both dips can be used to measure the magnetic field, with the distance between them 4γB, that is, the coefficient for the linear dependence on the magnetic field rises twice as much and equals 4γ. Thus, to measure the magnetic field, frequencies of dips are measured, depending on the splitting of Zeeman levels for the ground quadruplet spin state S = 3/2 spin centers in active material 1 and, in accordance with the formula for Zeeman splitting of spin levels, the measured magnetic the field in which the region of the active material 1 is excited by
Ширина провала в сигнале ОДМР в несколько раз меньше, чем ширина ОДМР сигнала, что увеличивает чувствительность измерений магнитного поля настоящего оптического магнитометра по сравнению с устройством-прототипом.The width of the dip in the signal ODMR several times smaller than the width ODMR signal, which increases the sensitivity of measurements of the magnetic field of this optical magnetometer compared with the device prototype.
Claims (10)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2018123465A RU2691774C1 (en) | 2018-06-28 | 2018-06-28 | Optical magnetometer |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2018123465A RU2691774C1 (en) | 2018-06-28 | 2018-06-28 | Optical magnetometer |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2691774C1 true RU2691774C1 (en) | 2019-06-18 |
Family
ID=66947898
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2018123465A RU2691774C1 (en) | 2018-06-28 | 2018-06-28 | Optical magnetometer |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2691774C1 (en) |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2158932C2 (en) * | 1995-04-25 | 2000-11-10 | Геофоршунгсцентрум Потсдам | Method for receiving signals from optical pumping magnetometers and optical pumping magnetometer |
| RU2483316C1 (en) * | 2011-11-24 | 2013-05-27 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук | Method for optical detection of magnetic resonance and apparatus for realising said method |
| RU2607840C1 (en) * | 2015-08-19 | 2017-01-20 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук | Optical magnetometer |
| US20170328965A1 (en) * | 2016-05-12 | 2017-11-16 | Imec Vzw | Magnetometer Sensor With Negatively Charged Nitrogen-Vacancy Centers in Diamond |
| US20170343695A1 (en) * | 2016-05-31 | 2017-11-30 | Lockheed Martin Corporation | Magneto-Optical Detecting Apparatus and Methods |
-
2018
- 2018-06-28 RU RU2018123465A patent/RU2691774C1/en active
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2158932C2 (en) * | 1995-04-25 | 2000-11-10 | Геофоршунгсцентрум Потсдам | Method for receiving signals from optical pumping magnetometers and optical pumping magnetometer |
| RU2483316C1 (en) * | 2011-11-24 | 2013-05-27 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук | Method for optical detection of magnetic resonance and apparatus for realising said method |
| RU2607840C1 (en) * | 2015-08-19 | 2017-01-20 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук | Optical magnetometer |
| US20170328965A1 (en) * | 2016-05-12 | 2017-11-16 | Imec Vzw | Magnetometer Sensor With Negatively Charged Nitrogen-Vacancy Centers in Diamond |
| US20170343695A1 (en) * | 2016-05-31 | 2017-11-30 | Lockheed Martin Corporation | Magneto-Optical Detecting Apparatus and Methods |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN109143121B (en) | Microwave field quantitative test system and method based on pulse modulation | |
| Simin et al. | All-optical dc nanotesla magnetometry using silicon vacancy fine structure in isotopically purified silicon carbide | |
| US8904561B2 (en) | Mechanical detection of Raman resonance | |
| EP2837930A1 (en) | Method for detecting the magnitude of a magnetic field gradient | |
| US10734069B2 (en) | Quantum metrology and quantum memory using defect sates with spin-3/2 or higher half-spin multiplets | |
| WO2014210486A1 (en) | Wide-field sensing using nitrogen vacancies | |
| RU2661442C2 (en) | Gyroscope at n-v centers in diamonds | |
| WO2013188732A1 (en) | Systems and methods for precision optical imaging of electrical currents and temperature in integrated circuits | |
| RU2483316C1 (en) | Method for optical detection of magnetic resonance and apparatus for realising said method | |
| RU2691775C1 (en) | Optical magnetometer | |
| RU2607840C1 (en) | Optical magnetometer | |
| RU2601734C1 (en) | Method of measuring magnetic field | |
| WO2019095102A1 (en) | Quantum sensor using rare earth ion doped optical crystal and use thereof | |
| Wunderlich et al. | Magnetic field and angle-dependent photoluminescence of a fiber-coupled nitrogen vacancy rich diamond | |
| RU2617293C1 (en) | Method of measuring temperature | |
| RU2691774C1 (en) | Optical magnetometer | |
| Anisimov et al. | Physical foundations of an application of scanning probe with spin centers in SiC for the submicron quantum probing of magnetic fields and temperatures | |
| JP2022553161A (en) | Processes, devices and systems for measuring measured variables | |
| Anisimov et al. | High-temperature spin manipulation on color centers in rhombic silicon carbide polytype 21R-SiC | |
| CN114689637B (en) | Molecular information detection method and system based on nano-diamond probe paramagnetic resonance | |
| RU2691766C1 (en) | Method of measuring temperature | |
| Dmitriev et al. | Radio-frequency response of the optically detected level anticrossing signal in nitrogen-vacancy color centers in diamond in zero and weak magnetic fields | |
| RU2695593C1 (en) | Method of measuring magnetic field | |
| Das et al. | Magnetic coherent population trapping in a single ion | |
| Tiranov et al. | Coherent super-and subradiant dynamics between distant optical quantum emitters |