ОПТИЧЕСКИЙ МАГНИТОМЕТР Российский патент 2017 года по МПК G01R33/12 G01N24/00 B82Y35/00 

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 мТл, и соответствующее поле 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.

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 (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 NV 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 2,5-3,0 ГГц, генератор низкой частоты, модулирующий мощность генератора СВЧ, лазер с длиной волны 532 нм, фокусирующую оптическую систему в виде системы линз, зеркал и фильтров, систему регистрации в виде лавинного фотодиода, активный материал в виде наноразмерного кристалла алмаза с NV центрами (нанокристалла), помещенного на зонд атомно-силового микроскопа. Измерения магнитного поля производятся методом оптического детектирования магнитного резонанса (ОДМР) по интенсивности люминесценции, излучаемой NV центрами. Магнитное поле определяется путем измерения частоты магнитного резонанса, которая зависит от зеемановского сдвига спиновых уровней в магнитном поле.

Недостатками известного оптического магнитометра является использование дорогостоящего активного материала, технология получения относительно слабо развита. Кроме того, известный оптический магнитометр работает в видимой области оптического диапазона, который плохо совмещается с волоконной оптикой на основе кремния, а также с полосой прозрачности биологических систем. Использование генератора СВЧ излучения усложняет конструкцию, создает дополнительные шумы, а также приводит к нагреванию объекта исследования. 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 рассматриваемого оптического магнитометра является использование алмазов с NV центрами в качестве активного материала магнитометра, технология получения которого чрезвычайно дорогостоящая и относительно слабо развита. Кроме того, известный оптический магнитометр плохо совмещается с волоконной оптикой на основе кремния, а также с полосой прозрачности биологических систем. Использование генератора СВЧ излучения усложняет конструкцию, создает дополнительные шумы, а также приводит к нагреванию объекта исследования. В известном оптическом магнитометре 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), совпадающий с настоящим решением по наибольшему числу существенных признаков и принятый за прототип. Оптический магнитометр-прототип включает генератор СВЧ излучения, блок модуляции СВЧ излучения, синхронный детектор, лазер с длиной волны 532 нм, фокусирующую оптическую систему в виде системы линз, зеркал и фильтров, фотоприемник в виде лавинного фотодиода, блок управления, активный материал в виде кристалла алмаза, содержащий по меньшей мере один спиновый NV центр, ось NV центра ориентирована вдоль одной из четырех <111> кристаллографических осей. Активный материал помещен внутрь катушки электромагнита для измерения магнитных полей, создаваемых протяженными или удаленными объектами. Измерения магнитного поля оптическим магнитометром-прототипом осуществляется методом оптического детектирования магнитного резонанса (ОДМР) 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 рассматриваемого оптического магнитометра является использование алмазов с NV центрами в качестве активного материала магнитометра, технология получения которого дорогостоящая и относительно слабо развита. Оптический магнитометр-прототип работает в видимой области оптического диапазона, который плохо совмещается с волоконной оптикой на основе кремния, а также с полосой прозрачности биологических систем. Применение генератора СВЧ-излучения усложняет конструкцию магнитометра, создает дополнительные шумы, а также приводит к нагреванию объекта исследования. Расщепление тонкой структуры NV центров сильно зависит от окружающей температуры, поэтому оптический магнитометр-прототип содержит дополнительные устройства для погашения нежелательных температурных воздействий.

Задачей настоящего изобретения является разработка такого оптического магнитометра, который бы был более простым и дешевым в изготовлении, работал в оптическом диапазоне, совместимом с волоконной оптикой и полосой прозрачности биологических объектов.

Поставленная задача решается тем, что оптический магнитометр включает генератор низкой частоты (НЧ), 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 квадрупольным 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 генератора НЧ через конденсатор соединен с катушкой электромагнита, к которой подключен также выход источника постоянного тока, второй выход генератора НЧ 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.

Активный материал может быть размещен на сканирующем столике конфокального микроскопа с пьезоэлементом, способным осуществлять возвратно-поступательное перемещение в трех взаимно перпендикулярных направлениях.

Активный материал может быть выполнен в виде наноразмерного кристалла карбида кремния. Наноразмерный кристалл карбида кремния может быть помещен на зонд атомно-силового микроскопа или на зонд микроскопа ближнего поля.

Новым в настоящем оптическом магнитометре является выполнение активного материала в виде кристалла карбида кремния, содержащего по меньшей мере один спиновый центр на основе вакансии кремния с основным квадрупольным состоянием; введение с состав магнитометра источника постоянного тока и генератора НЧ, подключенных к катушке электромагнита, а также замена лазера видимого света на лазер, излучающий в ближней ИК- области.

В настоящем оптическом магнитометре вместо оптического детектирования магнитного резонанса с использованием СВЧ-излучения применяется физическое явление антипересечения спиновых уровней в спиновых центрах на основе вакансии кремния с основным квадрупольным состоянием, которое приводит к сильному изменению интенсивности люминесценции в области магнитных полей, близких к точке пересечения спиновых уровней.

Спиновые центры на основе вакансии кремния с квадрупольным основным состоянием в карбиде кремния (SiC) известны (см. H. Kraus, V.А. Soltamov, F. Fuchs, D. Simin, A. Sperlich, P.G. Baranov, G.V. Astakhov, V. Dyakonov; Magnetic field and temperature sensing with atomic-scale spin defects in silicon carbide, Scientific Reports, 2014). Наличие физического эффекта оптического выстраивания спинов спиновых центров на основе вакансии кремния с основным квадрупольным состоянием при облучении кристалла карбида кремния ближним инфракрасным (ИК) светом при комнатной температуре позволяет оптически регистрировать магнитный резонанс в основном состоянии спиновых центров при комнатной температуре вплоть до регистрации магнитного резонанса на одиночных спиновых центрах на основе вакансии кремния. Оси ансамбля спиновых центров на основе вакансии кремния с квадрупольным основным состоянием в карбиде кремния ориентированы вдоль гексагональной кристаллографической оси с, в отличие от ансамбля NV центров в алмазе, в котором оси NV центров ориентированы вдоль одной из четырех <111> кристаллографических осей. Спиновый центр на основе вакансии кремния с квадруплетным основным состоянием представляет собой отрицательно-заряженную вакансию кремния (V_Si^-) со спином S=3/2, взаимодействующую с нейтральной вакансией углерода (V_C°), расположенной вдоль гексагональной кристаллографической оси (с - оси) относительно вакансии кремния и не имеющей молекулярной связи с вакансией кремния. При оптическом возбуждении в ближнем ИК-диапазоне (750-850 нм) происходит выстраивание спинов спиновых центров на основе вакансии кремния с основным квадрупленым состоянием, при этом создается неравновесное заполнение спиновых уровней.

Настоящее техническое решение поясняется чертежами,

где на фиг. 1 приведена блок-схема настоящего оптического магнитометра;

на фиг. 2 схематически показан в аксонометрии узел оптического микроскопа со сканирующим столиком (ФЛ - фотолюминесценция);

на фиг. 3 приведены кривые зависимостей интенсивности люминесценции спиновых центров на основе вакансии кремния с основным квадруплетным состоянием кристалла карбида кремния политипа 6Н-SiC от величины постоянного магнитного поля (19 - в отсутствии исследуемого образца; 20 - в присутствии исследуемого образца, магнитное поле которого измеряют; ΔВ - измеренное магнитное поле исследуемого образца).

Настоящий оптический магнитометр (см. фиг. 1, фиг. 2) содержит генератор НЧ (ГНЧ) 1, конденсатор 2, катушку 3 электромагнита для модуляции магнитного поля и для создания постоянного магнитного поля, активный материал 4 в виде кристалла карбида кремния, содержащий спиновые центры 5 на основе вакансии кремния с основным квадрупольным состоянием, источник 6 постоянного тока (ИПТ) для питания катушки электромагнита, объектив 7, сканирующий столик 8 конфокального микроскопа с пьезоэлементом 9, способный осуществлять возвратно-поступательное перемещение в трех взаимно перпендикулярных направлениях под действием управляющих напряжений пьезоэлемента 9, на котором расположен активный материал 4, содержащий спиновые центры 5 на основе вакансии кремния с основным квадруплетным состоянием, находящиеся вблизи поверхности кристалла, лазер (Л) 10, излучающий свет в ближней инфракрасной области 750-900 нм, полупрозрачное зеркало 11 и зеркало 12, светофильтр 13, линзу 14, синхронный детектор (СД) 15, фотоприемник (ФП) 16, выполненный, например, в виде ФЭУ или фотодиода, и блок управления (БУ) 17. Л10 оптически связан с активным материалом 4 через полупрозрачное зеркало 11, зеркало 12 и объектив 7. ФП 16 оптически соединен с активным материалом 4 через объектив 7, зеркало 12, полупрозрачное зеркало 11 и светофильтр 13 и линзу 14. Первый выход ГНЧ 1 через конденсатор 2 соединен с катушкой 3 электромагнита, к которой подключен также выход ИПТ 6. Второй выход ГНЧ 1 соединен с первым входом СД 15, второй вход СД 15 подключен к выходу ФП 16, выход СД 15 соединен с входом БУ 17, выход БУ 17 подключен к входу ИПТ 6. Исследуемый образец 18 во время измерений располагают на активном материале 4. Оптическое возбуждение и регистрация люминесценции спиновых центров 5 на основе вакансии кремния с основным квадрупольным состоянием может осуществляться с помощью стандартного конфокального микроскопа, если требуется 2D или 3D сканирование малого оптически возбуждаемого объема (вплоть до 0,2 мкм). Возможно также применение технологии STED (stimulated emission depletion microscopy) - (Willig, K.I., Rizzoli, S.O., Westphal, V., Jahn, R., Hell, S.W.: STED microscopy reveals that synaptotagmin remains clustered after synaptic vesicle exocytosis. Nature 440, 935-939, 2006), где оптически возбуждаемый и излучаемый объем активного материала 4 может быть ограничен вплоть до нескольких нм. Активный материал 4 в виде кристалла карбида кремния, вырезанного в виде пластины с плоскостью, перпендикулярной гексагональной кристаллографической оси с (стандартная форма для пластин карбида кремния), содержащий спиновые центры 5 на основе вакансии кремния с основным квадрупольным состоянием, находящиеся вблизи поверхности пластины активного материала 4, размещают на сканирующем столике 8 с пьезоэлементом 9, способным осуществлять возвратно-поступательное перемещение в трех взаимно перпендикулярных направлениях (фиг. 2). В этом случае область активного материала 4 со спиновыми центрами 5 на основе вакансии кремния с основным квадрупольным состоянием, возбуждаемая сфокусированным лучом лазера 10, будет сканироваться в плоскости, перпендикулярной лазерному лучу. Активный материал 4 может быть выполнен в виде наноразмерного кристалла карбида кремния, содержащего спиновые центры 5 на основе вакансии кремния с основным квадрупольным состоянием.

Настоящий оптический магнитометр работает следующим образом.

Переменный ток от ГНЧ 1 подают через конденсатор 2 на катушку 3 электромагнита, создавая вокруг активного материала 4 и исследуемого образца 18 переменное магнитное поле. Для получения постоянной компоненты магнитного поля (смещения) на катушку 3 электромагнита подают постоянное напряжение от ИПТ 6. Это дает возможность получения как отдельно переменного или постоянного магнитных полей, так и их сочетания, при этом используют одну и ту же катушку 3 электромагнита, что исключает несовпадение направлений переменного и постоянного магнитных полей. Модуляция магнитного поля позволяет использовать синхронное детектирование для регистрации магнитного отклика сигнала в виде производной. Оптическую накачку осуществляют Л 10 (например, с длиной волны 795 или 805 нм), излучение которого направляют полупрозрачным зеркалом 11 и зеркалом 12 и фокусируют на активный материал 4 при помощи объектива 7 микроскопа. С помощью луча Л 10, фокусируемого объективом 7, выделяют возбуждаемый объем активного материала 4 (кристалла карбида кремния), близкий к верхней поверхности активного материала 4 и содержащий спиновые центры 5 на основе вакансии кремния с основным квадрупольным состоянием, условно показанные на фиг. 2. Этот выделенный объем, который при использовании конфокальной оптики может быть уменьшен до поперечного диаметра 0,3 мкм, а с помощью методики подавления спонтанного испускания (stimulated emission depletion microscopy STED) до нанометровых размеров, находится в тонком слое спиновых центров 5 в активном материале 4, которые располагаются в тесном контакте с исследуемым образцом 18, распределение локальных магнитных полей в котором предполагается измерить. Люминесцентное излучение спиновых центров 5 через тот же объектив 7 и зеркало 12 и полупрозрачное зеркало 11 поступает на светофильтр 13, который отсекает лазерное излучение, и затем при помощи линзы 14 фокусируется на ФП 16. Трехкоординатный (способный осуществлять возвратно-поступательное перемещение в трех взаимно перпендикулярных направлениях) сканирующий столик 8 с пьезоэлементом 9 позволяет осуществить точную фокусировку излучения лазера на активном материале 4, а также сканировать как в плоскости XY, так и в плоскостях XZ или YZ и таким образом прецизионно настраивать оптический магнитометр при работе с активном материалом 4 с малой концентрацией спиновых центров 5. Сигнал с ФП 16, например, в виде ФЭУ, фотодиода или лавинного фотодиода подают на СД 15, на который также поступает опорная частота от ГНЧ 1. БУ 17 задает необходимые значения переменного и постоянного магнитного полей и регистрирует изменение фотолюминесценции в момент антипересечения спиновых уровней с выхода СД 15. В области изменения интенсивности люминесценции снимают первую кривую зависимости интенсивности люминесценции от величины постоянного магнитного поля. Затем описанные выше операции выполняют с помещением исследуемого образца 18 на активный материал 4, в области изменения интенсивности люминесценции снимают вторую кривую зависимости интенсивности люминесценции от величины постоянного магнитного поля. Определяют величину магнитного поля, создаваемого исследуемым образцом 18 в точке фокуса лазерного излучения Л 10 по величине горизонтального сдвига второй кривой относительно первой кривой. При проведении измерений градиента магнитного поля в исследуемом образце 18 производят пространственное сканирование исследуемого образца 18 в поперечной лазерному излучению Л 10 плоскости и измеряют величину постоянного магнитного поля в каждой точке сканирования. Затем строят график пространственного распределения локальных магнитных полей в исследуемом образце 18 и вычисляют градиент магнитных полей.

Работа настоящего оптического магнитометра осуществляется с использованием синхронного детектирования, при этом используют осциллирующее магнитное поле с низкой частотой модуляции в диапазоне от десятков герц до десятков килогерц, амплитуда модуляции может изменяться в зависимости от ширины сигналов от 0,01 мТл до 0,1 мТл, и в результате сигналы ФД 16 модулируются на первой гармонике с использованием синхронного детектирования.

Настройка оптического магнитометра с помощью подачи постоянного магнитного поля осуществлялась таким образом, чтобы нулевой сигнал с СД 15 был в центре резонанса, обусловленного антипересечением магнитных уровней, и этот сигнал с СД 15 дал бы самый высокий магнитный отклик при изменении локального магнитного поля.

На фиг. 3 приведены первая и вторая кривые зависимостей интенсивности люминесценции спиновых центров на основе вакансии кремния с основным квадрупольным состоянием кристалла карбида кремния политипа 6H-SiC от величины постоянного магнитного поля. Измерения проводили при комнатной температуре по изменению интенсивности люминесценции в области 850-950 нм, возбуждаемой лазером, величина амплитуды модуляции магнитного поля 0,01 мТл, частота 80 Гц. Возможная величина определения локальных магнитных полей в пятне оптического возбуждения с диаметром порядка 0,3 мкм, достигаемого с помощью конфокального микроскопа, порядка 500 нТл при времени измерения сигнала 1 с (500 нТл√Гц).

Основным достоинством настоящего магнитометра является отсутствие высокочастотного блока в виде генератора СВЧ-излучения, системы подачи СВЧ-излучения на активный материал и системы регистрации ОДМР на частоте модуляции мощности СВЧ генератора. При этом исключаются помехи, создаваемые СВЧ генератором, а также нагревание активного материала и объекта исследования СВЧ-излучением. Отсутствие СВЧ системы позволяет помещать активный материал на металлические подложки, а также изучать магнитные поля в проводящих средах.

Изобретение относится к области измерения магнитных полей и касается оптического магнитометра. Магнитометр включает генератор низкой частоты, конденсатор, по меньшей мере одну катушку электромагнита, активный материал виде кристалла карбида кремния, содержащий по меньшей мере один спиновый центр на основе вакансия кремния с основным квадрупольным состоянием, помещенный внутрь катушки, источник постоянного тока, синхронный детектор, блок управления, оптическую систему из полупрозрачного зеркала, зеркала, светофильтра, линзы и объектива, лазер, излучающий в ближней инфракрасной области, и фотоприемник. Технический результат заключается в упрощении устройства и обеспечении возможности работы в полосе прозрачности биологических объектов. 4 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Оптический магнитометр, включающий генератор низкой частоты (НЧ), конденсатор, по меньшей мере одну катушку электромагнита, активный материал виде кристалла карбида кремния, содержащий по меньшей мере один спиновый центр на основе вакансии кремния с основным квадрупольным состоянием, помещенный внутрь катушки, источник постоянного тока, синхронный детектор, блок управления, лазер, излучающий в ближней инфракрасной области, оптически связанный с активным материалом через полупрозрачное зеркало, зеркало и объектив, фотоприемник, оптически соединенный с активным материалом через объектив, зеркало, полупрозрачное зеркало и светофильтр, при этом первый выход генератора НЧ через конденсатор соединен с катушкой электромагнита, к которой подключен также выход источника постоянного тока, второй выход генератора НЧ 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.

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 наноразмерного кристалла карбида кремния.

4. Магнитометр по п. 3, отличающийся тем, что активный материал в виде наноразмерного кристалла карбида кремния помещен на зонд атомно-силового микроскопа.

5. Магнитометр по п. 3, отличающийся тем, что активный материал в виде наноразмерного кристалла карбида кремния помещен на зонд микроскопа ближнего поля.