RU2816560C1 - Квантовый магнитометр на основе N2V-центров в алмазе - Google Patents
Квантовый магнитометр на основе N2V-центров в алмазе Download PDFInfo
- Publication number
- RU2816560C1 RU2816560C1 RU2023136053A RU2023136053A RU2816560C1 RU 2816560 C1 RU2816560 C1 RU 2816560C1 RU 2023136053 A RU2023136053 A RU 2023136053A RU 2023136053 A RU2023136053 A RU 2023136053A RU 2816560 C1 RU2816560 C1 RU 2816560C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- centers
- diamond
- centres
- magnetic field
- quantum
- Prior art date
Links
- 229910003460 diamond Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 36
- 239000010432 diamond Substances 0.000 title claims abstract description 36
- 125000004433 nitrogen atom Chemical group N* 0.000 claims abstract description 12
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 claims abstract description 11
- 230000007935 neutral effect Effects 0.000 claims abstract description 8
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 claims abstract description 4
- 230000003595 spectral effect Effects 0.000 claims abstract description 4
- 238000000137 annealing Methods 0.000 claims description 3
- 238000007669 thermal treatment Methods 0.000 claims description 3
- 238000005259 measurement Methods 0.000 abstract description 5
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 abstract description 4
- 238000001816 cooling Methods 0.000 abstract description 3
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 3
- 230000006698 induction Effects 0.000 abstract description 2
- 238000005086 pumping Methods 0.000 abstract description 2
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 238000000034 method Methods 0.000 description 9
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 description 6
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N nitrogen Substances N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- 239000013078 crystal Substances 0.000 description 5
- 238000005424 photoluminescence Methods 0.000 description 5
- 230000005855 radiation Effects 0.000 description 4
- 239000013307 optical fiber Substances 0.000 description 3
- 125000004429 atom Chemical group 0.000 description 2
- 230000005670 electromagnetic radiation Effects 0.000 description 2
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 2
- QJGQUHMNIGDVPM-UHFFFAOYSA-N nitrogen group Chemical group [N] QJGQUHMNIGDVPM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 230000010287 polarization Effects 0.000 description 2
- 238000001308 synthesis method Methods 0.000 description 2
- 230000007704 transition Effects 0.000 description 2
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 description 1
- 230000005284 excitation Effects 0.000 description 1
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 1
- 230000005283 ground state Effects 0.000 description 1
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 1
- 238000005404 magnetometry Methods 0.000 description 1
- 238000000691 measurement method Methods 0.000 description 1
- 238000000387 optically detected magnetic resonance Methods 0.000 description 1
- 230000001360 synchronised effect Effects 0.000 description 1
Abstract
Изобретение относится к области измерения величины индукции внешнего магнитного поля. Технический результат заключается в создании квантового магнитометра на основе N2V-центров в алмазе с увеличенной чувствительностью, применение которого не требует охлаждения алмазного образца до криогенных температур. Квантовый магнитометр на основе N2V-центров в алмазе содержит твердотельный активный элемент в виде алмазного образца с примесно-дефектными N2V-центрами в нейтральном зарядовом состоянии (H3 центры окраски), состоящими из двух атомов азота и вакансии, имеющие различные зарядовые состояния и излучающие различные спектральные длины волн, и источник оптической накачки в диапазоне фононного крыла поглощения N2V-центров. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.
Description
Изобретение относится к области квантовой сенсорики и может быть использовано в квантовых информационных технологиях для измерения величины индукции внешнего магнитного поля. Применение изобретения перспективно в системах навигации.
Известны аналогичные квантовые магнитометры, использующие спиновые подуровни в NV¯ центрах окраски алмаза (NV центрах в отрицательном зарядовом состоянии).
Известен магнитометр для измерения магнитного поля, который может включать в себя твердотельную электронную спиновую систему и детектор (патент US 8947080). Твердотельная электронная спиновая система может содержать один или несколько электронных спинов, которые расположены внутри твердотельной решетки, например, NV-центры в алмазе. Электронные спины могут быть выполнены с возможностью приема оптического возбуждающего излучения и выравнивания в ответ на него магнитного поля. Электронные спины могут быть дополнительно побуждены к прецессии вокруг измеряемого магнитного поля в ответ на внешнее управление, такое как радиочастотное поле, при этом частота прецессии спина линейно связана с магнитным полем зеемановским сдвигом электронного спина, энергетические уровни. Детектор может быть сконфигурирован для обнаружения выходного оптического излучения электронного спина, чтобы определять зеемановский сдвиг и, следовательно, магнитное поле.
Известен способ измерения характеристик магнитного поля (патент RU 2654967). Изобретение относится к области измерительной техники и касается способа измерения характеристик магнитного поля. Способ включает в себя помещение кристалла алмаза с NV-центрами в область измеряемого магнитного поля, направление на кристалл электромагнитного излучения оптического диапазона, приводящего к спиновой поляризации NV-центров, и регистрацию сигнала флюоресценции. Кроме того, к указанному кристаллу по крайней мере однократно прикладывают переменное магнитное поле, ориентированное в некотором наперед заданном направлении, измеряют зависимость сигнала флюоресценции от величины переменного магнитного поля для каждого направления этого поля. На полученной зависимости регистрируют положения резонансов, соответствующих совпадению частот переходов между подуровнями основного состояния, относящихся к различным группам NV-центров. По положениям резонансов определяют характеристики измеряемого магнитного поля. Технический результат заключается в упрощении способа и обеспечении возможности проведения измерений без использования микроволнового излучения и сильных постоянных магнитных полей.
Известен способ измерения характеристик магнитного поля (патент RU 2694798). Изобретение относится к способам измерения характеристик магнитного поля и может быть использовано при создании и эксплуатации магнитных датчиков и магнитометров. Способ измерения характеристик магнитного поля заключается в том, что кристалл алмаза с NV-центрами помещают в область измеряемого магнитного поля, на который направляют электромагнитное излучение оптического диапазона, приводящее к спиновой поляризации NV-центров. К указанному кристаллу прикладывают по крайней мере однократно переменное магнитное поле, ориентированное в некотором наперед заданном направлении. Измеряют зависимость сигнала флюоресценции от величины переменного магнитного поля. В качестве алмазного образца используют поликристаллический алмаз с NV-центрами со случайной ориентацией осей. По положению единственного кросс-релаксационного резонанса в сигнале флюоресценции определяют проекцию измеряемого магнитного поля. Технический результат – упрощение способа измерения характеристик магнитного поля.
Известен оптический магнитометр (патент RU 2776466). Изобретение относится к устройствам измерения магнитного поля. Предлагается оптический магнитометр, в котором размещенный на конце оптического волокна активный элемент, электромагнит и дополнительный магнит закреплены неподвижно относительно друг друга таким образом, чтобы направление создаваемого электромагнитом поля совпадало с направлением одной из главных кристаллографических осей алмаза, а создаваемое дополнительным магнитом поле смещения позволяло при воздействии излучения лазера на активный элемент разрешать пять кросс-релаксационных резонансов в сигнале флуоресценции, фотодетектор выполнен балансным, его входы оптически сопряжены с лазером, причем один сопряжен через частично прозрачное зеркало, а второй - через частично прозрачное зеркало, дихроичное зеркало, объектив, оптическое волокно до активного элемента и обратно через оптическое волокно, объектив, дихроичное зеркало и светофильтр, а выход через синхронный детектор, получающий сигнал опорной частоты от генератора низкой частоты, соединен с блоком управления, задающим величину тока, создаваемого источником тока, при этом электромагнит запитан от источника тока и генератора низкой частоты. Технический результат – упрощение конструкции оптического магнитометра, повышение точности его измерений.
Главным недостаткам указанных магнитометров является использование в качестве активных центров – NV¯ центров окраски алмаза, которые представляют собой атом азота в замещающем положении и отсутствующий атом в соседнем с ним узле решетки – вакансия. В вакансии локализован пятый валентный электрон атома азота. Если в алмазном образце содержатся свободные атомы замещающего азота, т.е. не связанные в примесно-дефектные комплексы типа NV центров, то некоторые из NV центров могут захватывать пятые валентные электроны от атомов замещающего азота, т.е. происходит изменение зарядового состояния с NV0 до NV¯. Для того, чтобы в алмазном образце были NV¯ центры необходимо большое содержание замещающего азота (от 3 раз больше, чем NV центров). При этом большая концентрация замещающего азота ограничивает чувствительность квантовых магнитометров на основе NV центров алмаза, т.к. замещающий азот является причиной уменьшения времени когерентности NV центров. Для снижения влияния данного эффекта используют охлаждение алмазного образца до криогенных температур (ниже температуры жидкого азота), что ограничивает применение квантовых магнитометров на основе NV центров алмаза.
Технический результат заключается в создании квантового магнитометра на основе N2V центров в алмазе с увеличенной чувствительностью, применение которого не требует охлаждения алмазного образца до криогенных температур.
Технический результат достигается тем, что квантовый магнитометр на основе N2V центров в алмазе, содержащий твердотельный активный элемент в виде алмазного образца с примесно-дефектными N2V центрами в нейтральном зарядовом состоянии (H3 центры окраски), состоящими из двух атомов азота и вакансии, имеющие различные зарядовые состояния и излучающие различные спектральные длины волн, и источник оптической накачки в диапазоне фононного крыла поглощения N2V центров. Квантовый магнитометр на основе N2V центров в алмазе характеризующийся тем, что N2V-центры в алмазном образце изготовлены радиационно-термической обработкой: последовательным облучением высокоэнергетических электронов и отжигом при температуре до 1700 °С.
Сущность изобретения поясняется следующими чертежами:
Фиг. 1 Схема N2V центров в нейтральном зарядовом состоянии (H3 центры окраски), где обозначены: 1 – атомы азота; 2 – вакансия; 3 – два электрона от атомов замещающего азота (пятые валентные электроны атомов азота).
Фиг. 2 График интенсивности фотолюминесценции N2V центров в нейтральном зарядовом состоянии (H3 центров окраски) алмаза при включенном и выключенном внешнем магнитном поле.
Фиг. 3 Температурная зависимость фотолюминесценции N2V центров в нейтральном зарядовом состоянии (H3 центров окраски) алмаза на длине волны 518 нм при включенном и выключенном внешнем магнитном поле.
Суть данного изобретения состоит в использовании в квантовых магнитометрах алмазных образцов любого способа синтеза, содержащих H3 центры окраски (Фиг.1), т.е. N2V центры в нейтральном зарядовом состоянии (N2V0). В таких образцах можно добиться полного отсутствия свободных атомов азота, ограничивающих чувствительность квантового магнитометра. H3 центры окраски состоят из двух атомов замещающего азота (два атома тёмного цвета на Фиг.1) и расположенной между ними вакансии (незакрашенный круг с двумя стрелками на Фиг.1). Две стрелки обозначают два электрона от атомов замещающего азота (пятые валентные электроны). Такая структура центра создаёт расщепление на спиновые подуровни электронных состояний Н3 центров и даёт возможность использовать H3 центры окраски алмаза в квантовой магнитометрии. В эксперименте N2V-центры в алмазных образцах (природных и синтетических) были созданы радиационно-термической обработкой: последовательным облучением высокоэнергетических электронов и отжигом при температуре до 1700 °С.
При помещении алмазного образца с H3 центрами окраски в магнитное поле за счёт спиновых эффектов происходит усиление интенсивности фотолюминесценции H3 центров окраски (Фиг.2 и Фиг. 3). При этом не требуется охлаждение до криогенных температур, т.к. при температурах порядка комнатной контраст фотолюминесценции H3 центров алмаза с включенным магнитным полем (СВЧ-полем) и выключенным магнитным полем (СВЧ-полем) сравним или выше, чем при охлаждении алмазного образца.
Способ измерения заключается в использовании в температурном диапазоне 13-360 К алмазного образца любого способа синтеза, содержащего примесно-дефектные N2V центры в нейтральном зарядовом состоянии (H3 центры окраски), в качестве чувствительного элемента помещенного во внешнее магнитное поле и оптическое излучение с длиной волны в спектральном диапазоне поглощения H3 центров окраски (400-500 нм).
Для измерения величины магнитного поля используется измерение интенсивности фотолюминесценции H3 центров окраски при включении дополнительного магнитного поля собственных электромагнитов детектора и в отсутствие магнитного поля, или метод оптически детектируемых магнитных резонансов, включающий сканирование по частоте в области частоты перехода между спиновыми подуровнями электронных состояний центра окраски, и определение величины магнитного поля по частоте магнитного резонанса.
Список использованных источников
1. US8947080, МПК G01R 33/02, G01R 33/00, G01V 3/08, 03.02.2015.
2. RU2654967, МПК G01R 33/02, 02.05.2017.
3. RU2694798, МПК G01R 33/02, 24.04.2018.
4. RU2776466, МПК G01R 33/02, 01.11.2021).
Claims (2)
1. Квантовый магнитометр на основе N2V-центров в алмазе, содержащий твердотельный активный элемент в виде алмазного образца с примесно-дефектными N2V-центрами в нейтральном зарядовом состоянии (H3 центры окраски), состоящими из двух атомов азота и вакансии, имеющие различные зарядовые состояния и излучающие различные спектральные длины волн, и источник оптической накачки в диапазоне фононного крыла поглощения N2V-центров.
2. Квантовый магнитометр по п.1, характеризующийся тем, что N2V-центры в алмазном образце изготовлены радиационно-термической обработкой: последовательным облучением высокоэнергетических электронов и отжигом при температуре до 1700°С.
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2816560C1 true RU2816560C1 (ru) | 2024-04-02 |
Family
ID=
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| 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 |
| WO2016083140A1 (en) * | 2014-11-27 | 2016-06-02 | Universität Stuttgart, Körperschaft Des Öffentlichen Rechts | Method and device for measuring strong magnetic fields on a nanometer scale, e.g. on a hard disk write/read head |
| RU2776466C1 (ru) * | 2021-11-01 | 2022-07-21 | Федеральное государственное бюджетное научное учреждение "Федеральный исследовательский центр Институт прикладной физики Российской академии наук" (ИПФ РАН) | Оптический магнитометр |
| US20230349989A1 (en) * | 2020-01-30 | 2023-11-02 | Elmos Semiconductor Se | Nv center-based microwave-free galvanically isolated magnetometer |
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| 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 |
| WO2016083140A1 (en) * | 2014-11-27 | 2016-06-02 | Universität Stuttgart, Körperschaft Des Öffentlichen Rechts | Method and device for measuring strong magnetic fields on a nanometer scale, e.g. on a hard disk write/read head |
| US20230349989A1 (en) * | 2020-01-30 | 2023-11-02 | Elmos Semiconductor Se | Nv center-based microwave-free galvanically isolated magnetometer |
| RU2776466C1 (ru) * | 2021-11-01 | 2022-07-21 | Федеральное государственное бюджетное научное учреждение "Федеральный исследовательский центр Институт прикладной физики Российской академии наук" (ИПФ РАН) | Оптический магнитометр |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US10895542B2 (en) | Methods and apparatus for optically detecting magnetic resonance | |
| US10345396B2 (en) | Selected volume continuous illumination magnetometer | |
| CN109143121B (zh) | 一种基于脉冲调制的微波场定量测试系统及方法 | |
| RU2661442C2 (ru) | Гироскоп на nv-центрах в алмазе | |
| Alexandrov et al. | Optically pumped atomic magnetometers after three decades | |
| US20170343619A1 (en) | Two-stage optical dnv excitation | |
| Groeger et al. | Comparison of discharge lamp and laser pumped cesium magnetometers | |
| RU2483316C1 (ru) | Способ оптического детектирования магнитного резонанса и устройство для его осуществления | |
| Gilles et al. | Laser pumped 4 He magnetometer | |
| RU2684669C1 (ru) | Прецизионный твердотельный квантовый гироскоп непрерывного действия на базе спинового ансамбля в алмазе | |
| US9829545B2 (en) | Apparatus and method for hypersensitivity detection of magnetic field | |
| US11313925B2 (en) | Quantum sensor based on rare-earth-ion doped optical crystal and use thereof | |
| CN113341352A (zh) | 一种测量装置 | |
| RU2654967C1 (ru) | Способ измерения характеристик магнитного поля | |
| Zhao et al. | A vector atomic magnetometer based on the spin self-sustaining Larmor method | |
| Zhang et al. | High-sensitivity and wide-bandwidth fiber-coupled diamond magnetometer with surface coating | |
| Vershovskii et al. | Micro-scale three-component quantum magnetometer based on nitrogen-vacancy color centers in diamond crystal | |
| Gawlik et al. | Nonlinear magneto-optical rotation magnetometers | |
| RU2816560C1 (ru) | Квантовый магнитометр на основе N2V-центров в алмазе | |
| CN109787082A (zh) | 基于稀土离子掺杂光学晶体的量子传感器及其用途 | |
| RU2704391C1 (ru) | Способ управления атомарным магнитометрическим датчиком при работе в составе многоканальной диагностической системы | |
| Groeger et al. | Design and performance of laser-pumped Cs-magnetometers for the planned UCN EDM experiment at PSI | |
| Moi et al. | Sensitive magnetometers based on dark states | |
| Strutz et al. | Pick‐up coil as a tool of measuring spin‐lattice relaxation under electron spin resonance condition at high magnetic fields | |
| RU2694798C1 (ru) | Способ измерения характеристик магнитного поля |