RU2691775C1 - Оптический магнитометр - Google Patents
Оптический магнитометр Download PDFInfo
- Publication number
- RU2691775C1 RU2691775C1 RU2018123466A RU2018123466A RU2691775C1 RU 2691775 C1 RU2691775 C1 RU 2691775C1 RU 2018123466 A RU2018123466 A RU 2018123466A RU 2018123466 A RU2018123466 A RU 2018123466A RU 2691775 C1 RU2691775 C1 RU 2691775C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- frequency
- generator
- input
- output
- active material
- Prior art date
Links
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 title claims abstract description 40
- 239000011149 active material Substances 0.000 claims abstract description 28
- 239000013078 crystal Substances 0.000 claims abstract description 21
- 230000001360 synchronised effect Effects 0.000 claims abstract description 16
- HBMJWWWQQXIZIP-UHFFFAOYSA-N silicon carbide Chemical compound [Si+]#[C-] HBMJWWWQQXIZIP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 15
- 229910010271 silicon carbide Inorganic materials 0.000 claims abstract description 15
- QNRATNLHPGXHMA-XZHTYLCXSA-N (r)-(6-ethoxyquinolin-4-yl)-[(2s,4s,5r)-5-ethyl-1-azabicyclo[2.2.2]octan-2-yl]methanol;hydrochloride Chemical compound Cl.C([C@H]([C@H](C1)CC)C2)CN1[C@@H]2[C@H](O)C1=CC=NC2=CC=C(OCC)C=C21 QNRATNLHPGXHMA-XZHTYLCXSA-N 0.000 claims description 2
- 239000002105 nanoparticle Substances 0.000 claims description 2
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 abstract description 5
- 238000005404 magnetometry Methods 0.000 abstract description 5
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 abstract description 5
- 239000000463 material Substances 0.000 abstract description 4
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 238000000387 optically detected magnetic resonance Methods 0.000 description 11
- 239000010432 diamond Substances 0.000 description 10
- 230000005855 radiation Effects 0.000 description 9
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 7
- 229910003460 diamond Inorganic materials 0.000 description 7
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 6
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 6
- 239000010703 silicon Substances 0.000 description 6
- 230000008859 change Effects 0.000 description 5
- 238000004020 luminiscence type Methods 0.000 description 5
- 239000000523 sample Substances 0.000 description 5
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 4
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 description 4
- 238000005424 photoluminescence Methods 0.000 description 4
- 230000007704 transition Effects 0.000 description 4
- 239000000835 fiber Substances 0.000 description 3
- 230000002277 temperature effect Effects 0.000 description 3
- 230000009471 action Effects 0.000 description 2
- 239000003990 capacitor Substances 0.000 description 2
- 238000011161 development Methods 0.000 description 2
- 230000005672 electromagnetic field Effects 0.000 description 2
- 230000003993 interaction Effects 0.000 description 2
- 239000002159 nanocrystal Substances 0.000 description 2
- 238000001208 nuclear magnetic resonance pulse sequence Methods 0.000 description 2
- 230000004044 response Effects 0.000 description 2
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 description 1
- 125000004432 carbon atom Chemical group C* 0.000 description 1
- 238000013500 data storage Methods 0.000 description 1
- 230000003247 decreasing effect Effects 0.000 description 1
- 238000013461 design Methods 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 230000005284 excitation Effects 0.000 description 1
- 230000005283 ground state Effects 0.000 description 1
- 238000000034 method Methods 0.000 description 1
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 description 1
- 125000004433 nitrogen atom Chemical group N* 0.000 description 1
- 238000000399 optical microscopy Methods 0.000 description 1
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 1
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 1
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 description 1
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
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Investigating, Analyzing Materials By Fluorescence Or Luminescence (AREA)
Abstract
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. Оптический магнитометр содержит активный материал в виде кристалла карбида кремния, содержащего спиновые центры с основным квадруплетным спиновым состоянием, устройство подачи высокочастотной (ВЧ) мощности, лазер, излучающий в ближней инфракрасной области, электромагнит, объектив, полупрозрачное зеркало, фильтр, фотоприемник, синхронный детектор, низкочастотный (НЧ) генератор, высокочастотный (ВЧ) генератор постоянной частоты, высокочастотный (ВЧ) генератор переменной частоты, источник постоянного тока и блок управления. Технический результат – повышение чувствительности оптического магнитометра. 9 з.п. ф-лы, 3 ил.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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 постоянной частоты соединен с первым входом/выходом блока управления. Выход низкочастотного генератора подключен к входу высокочастотного генератора постоянной частоты и первому 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 переменной 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.
Активный материал может быть размещен на сканирующем столике конфокального микроскопа с пьезоэлементом, способным осуществлять возвратно-поступательное перемещение в трех взаимно перпендикулярных направлениях.
Активный материал выполнен в виде наноразмерного кристалла карбида кремния.
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.
Устройство подачи ВЧ мощности может быть выполнено в виде витка или в виде катушки.
Фотоприемник может быть выполнен в виде фотоэлектронного умножителя, или фотодиода, или лавинного фотодиода.
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 переменной частоты соединен с выходом блока управления, вход/выход высокочастотного генератора постоянной частоты соединен с первым входом/выходом блока управления, выходы высокочастотного генератора постоянной частоты и высокочастотного генератора переменной частоты соединены с устройством подачи ВЧ мощности, а выход генератора низкой частоты подключен к входу высокочастотного генератора постоянной частоты.
Настоящий оптический магнитометр поясняется чертежами, где
на фиг. 1 приведена блок-схема настоящего оптического магнитометра;
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;
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 в присутствии постоянного магнитного поля, где f(c1) и f(c2) - частоты перестраиваемого по частоте радиочастотного электромагнитного сигнала.
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 (ГВЧП) 11 постоянной частоты, высокочастотный генератор (ГВЧП) 12 переменной 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 ГВЧП 11 соединен с первым входом/выходом БУ 14, выход ГНЧ 10 соединен с входом ГВЧП 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 ГВЧПР 12. выходы ГВЧП 11 и ГВЧПР 12 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.
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 частоте радиочастотный электромагнитный сигнал от ГВЧП 11, находящейся в пределах ширины линии ОДМР, модулированный низкой частотой в частотном диапазоне, например, от сотен герц до сотен килогерц в виде, например, модуляции амплитуды или частоты, на котором осуществляют синхронное детектирование с помощью ФП 8 и СД 9 изменения интенсивности люминесценции спиновых центров с основным квадруплетным спиновым состоянием при различной частоте постоянного по частоте электромагнитного поля. В результате происходит изменение в населенности состояния MS=-1/2 путем перевода части спиновых центров в состояние MS=-3/2 (см. фиг. 2), что приводит к «выжиганию» провала в спектре ОДМР. Далее на устройство 2 подают постоянный по амплитуде радиочастотный электромагнитный сигнал, создаваемый ГВЧПР 12 на заданной частоте, например, в диапазоне от 1 МГц до 6 ГГЦ. 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.
Модуляция сигнала, подаваемого ГВЧП 11, позволяет осуществлять регистрацию сигнала ОДМР на частоте модуляции путем синхронного детектирования с помощью СД 9.
В результате, наряду с сигналом «выжигаемого» провала от постояннного по амплитуде радиочастотного электромагнитного сигнала от ГВЧП 11 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). Их происхождение объясняется следующим образом: сигнал на частоте ГВЧП 11 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,
где В - постоянное магнитное поле, Тл;
γ=1.8548.10-23 Дж/Тл или γ=28 МГц/мТл - гиромагнитное отношение для электронного магнитного момента спинового центра.
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 11 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 В=|f(c1)-f(н)|/(2γ); если видны оба провала с частотами f(c1) и f(c2): В=|f(c1)-f(c2)|/(4γ).
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.
Claims (10)
1. Оптический магнитометр, включающий 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 инфракрасной области, электромагнит, объектив, полупрозрачное зеркало, фильтр, фотоприемник, синхронный детектор, низкочастотный (НЧ) генератор, высокочастотный (ВЧ) генератор переменной частоты, высокочастотный (ВЧ) генератор постоянной частоты, источник постоянного тока и блок управления, при этом лазер оптически соединен через полупрозрачное зеркало и объектив с активным материалом, который через объектив, полупрозрачное зеркало и фильтр оптически соединен с фотоприемником, вход/выход ВЧ генератора постоянной частоты соединен с первым входом/выходом блока управления, выход НЧ генератора подключен к входу ВЧ генератора постоянной частоты и первому входу синхронного детектора, второй вход которого соединен с выходом фотоприемника, выход синхронного детектора подключен к входу блока управления, выход которого соединен с входом ВЧ генератором переменной частоты, выходы ВЧ генератора постоянной частоты и ВЧ генератора переменной частоты подключены к устройству подачи ВЧ мощности, вход/выход источника постоянного тока соединен со вторым входом/выходом блока управления, а выход источника постоянного тока подключен к электромагниту.
2. Магнитометр по п. 1, отличающийся тем, что активный материал размещен на сканирующем столике конфокального микроскопа с пьезоэлементом, способным осуществлять возвратно-поступательное перемещение в трех взаимно перпендикулярных направлениях.
3. Магнитометр по п. 1, отличающийся тем, что активный материал выполнен в виде кристалла карбида кремния гексагонального политипа, плоскость которого перпендикулярна гексагональной оси кристалла, вдоль которой ориентированы оси активных спиновых центров.
4. Магнитометр по п. 1, отличающийся тем, что активный материал выполнен в виде кристалла карбида кремния ромбического политипа, плоскость которого перпендикулярна гексагональной оси кристалла, вдоль которой ориентированы оси активных спиновых центров.
5. Магнитометр по п. 1, отличающийся тем, что активный материал выполнен в виде наноразмерного кристалла карбида кремния.
6. Магнитометр по п. 1, отличающийся тем, что устройство подачи ВЧ мощности выполнено в виде витка.
7. Магнитометр по п. 1, отличающийся тем, что устройство подачи ВЧ мощности выполнено в виде катушки.
8. Магнитометр по п. 1, отличающийся тем, что фотоприемник выполнен в виде фотоэлектронного умножителя.
9. Магнитометр по п. 1, отличающийся тем, что фотоприемник выполнен в виде фотодиода.
10. Магнитометр по п. 1, отличающийся тем, что фотоприемник выполнен в виде лавинного фотодиода.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2018123466A RU2691775C1 (ru) | 2018-06-28 | 2018-06-28 | Оптический магнитометр |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2018123466A RU2691775C1 (ru) | 2018-06-28 | 2018-06-28 | Оптический магнитометр |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2691775C1 true RU2691775C1 (ru) | 2019-06-18 |
Family
ID=66947896
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2018123466A RU2691775C1 (ru) | 2018-06-28 | 2018-06-28 | Оптический магнитометр |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2691775C1 (ru) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2744814C1 (ru) * | 2019-12-27 | 2021-03-16 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский государственный университет" (СПбГУ)" | Флуктуационный оптический магнитометр |
| RU2784201C1 (ru) * | 2021-09-15 | 2022-11-23 | Общество с ограниченной ответственностью "ГЕОСКАН" | Способ измерений магнитного поля земли и квантовый магнитометр для реализации такого способа |
| WO2023043336A1 (ru) * | 2021-09-15 | 2023-03-23 | Общество с ограниченной ответственностью "ГЕОСКАН" | Способ измерений магнитного поля земли и квантовый магнитометр |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2158932C2 (ru) * | 1995-04-25 | 2000-11-10 | Геофоршунгсцентрум Потсдам | Способ получения сигналов от магнитометров с оптической накачкой и оптически накачиваемый магнитометр |
| 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 |
| RU2607840C1 (ru) * | 2015-08-19 | 2017-01-20 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук | Оптический магнитометр |
| 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 RU2018123466A patent/RU2691775C1/ru active
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2158932C2 (ru) * | 1995-04-25 | 2000-11-10 | Геофоршунгсцентрум Потсдам | Способ получения сигналов от магнитометров с оптической накачкой и оптически накачиваемый магнитометр |
| 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 |
| RU2607840C1 (ru) * | 2015-08-19 | 2017-01-20 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук | Оптический магнитометр |
| 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 |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2744814C1 (ru) * | 2019-12-27 | 2021-03-16 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский государственный университет" (СПбГУ)" | Флуктуационный оптический магнитометр |
| RU2784201C1 (ru) * | 2021-09-15 | 2022-11-23 | Общество с ограниченной ответственностью "ГЕОСКАН" | Способ измерений магнитного поля земли и квантовый магнитометр для реализации такого способа |
| WO2023043336A1 (ru) * | 2021-09-15 | 2023-03-23 | Общество с ограниченной ответственностью "ГЕОСКАН" | Способ измерений магнитного поля земли и квантовый магнитометр |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN109143121B (zh) | 一种基于脉冲调制的微波场定量测试系统及方法 | |
| Simin et al. | All-optical dc nanotesla magnetometry using silicon vacancy fine structure in isotopically purified silicon carbide | |
| Patel et al. | Subnanotesla magnetometry with a fiber-coupled diamond sensor | |
| US7282911B2 (en) | Detection with evanescent wave probe | |
| US10734069B2 (en) | Quantum metrology and quantum memory using defect sates with spin-3/2 or higher half-spin multiplets | |
| RU2661442C2 (ru) | Гироскоп на nv-центрах в алмазе | |
| EP2837930A1 (en) | Method for detecting the magnitude of a magnetic field gradient | |
| US10921394B2 (en) | Vectorial magnetometer and associated methods for sensing an amplitude and orientation of a magnetic field | |
| WO2014210486A1 (en) | Wide-field sensing using nitrogen vacancies | |
| RU2483316C1 (ru) | Способ оптического детектирования магнитного резонанса и устройство для его осуществления | |
| WO2013188732A1 (en) | Systems and methods for precision optical imaging of electrical currents and temperature in integrated circuits | |
| WO2013126577A1 (en) | Quantum mechanical measurement device | |
| RU2691775C1 (ru) | Оптический магнитометр | |
| CN114689637B (zh) | 基于纳米金刚石探针顺磁共振的分子信息检测方法及系统 | |
| RU2607840C1 (ru) | Оптический магнитометр | |
| RU2601734C1 (ru) | Способ измерения магнитного поля | |
| Mena et al. | Room-temperature optically detected coherent control of molecular spins | |
| Vershovskii et al. | A weak magnetic field sensor based on nitrogen-vacancy color centers in a diamond crystal | |
| RU2617293C1 (ru) | Способ измерения температуры | |
| RU2691774C1 (ru) | Оптический магнитометр | |
| 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 | |
| Anisimov et al. | Room-temperature level anticrossing and cross-relaxation spectroscopy of spin color centers in SiC single crystals and nanostructures | |
| Anisimov et al. | High-temperature spin manipulation on color centers in rhombic silicon carbide polytype 21R-SiC | |
| Lekavicius et al. | Magnetometry Based on Silicon-Vacancy Centers in Isotopically Purified 4 H-SiC | |
| 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 |