СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ МАГНИТНОГО ПОЛЯ Российский патент 2019 года по МПК G01R33/24 B82Y35/00 

Описание патента на изобретение RU2695593C1

Изобретение относится к нанотехнологиям и может быть использовано в области измерения слабых локальных магнитных полей в микроэлектронике, квантовой оптике, биомедицине, 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 одного протона составляет несколько нТл. Датчик, способный обнаружить такие магнитные поля с нанометровым пространственным разрешением, найдет широкую область применения, 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 способы измерения магнитных полей.

Известен способ измерения магнитного поля, основанный на спиновых свойствах паров щелочных элементов и без использования криогенной техники (см., D. Budker and М. V. Romalis. - Optical Magnetometry. - Nature Physics, V. 3, p. 227-234, 2007). Известный способ включает наполнение измерительной ячейки парами щелочного металла, подачу циркулярно-поляризованного света, совпадающего по энергии с одним из оптических переходов в щелочном металле, поляризацию электронных спинов щелочного металла под действием света, приложение резонансного радиочастотного поля, вызывающее изменение поляризации электронных спинов. В момент магнитного резонанса в измеряемом магнитном поле регистрируют изменения в оптическом пропускании ячейки, измеряют частоту магнитного резонанса и определяют величину магнитного поля по частоте магнитного резонанса в соответствии с зеемановским сдвигом спиновых уровней в измеряемом магнитном поле.

Известный способ измерения магнитного поля не может обеспечить измерение распределения магнитных полей с высоким пространственным разрешением, так как требует использования сравнительно больших объемов атомных паров с размерами ячеек не меньше миллиметровых значений.

Известен способ измерения магнитного поля с использованием азотно-вакансионных центров (NV центров) в алмазе при комнатной температуре, основанный на оптическом детектировании магнитного резонанса (ОДМР) во внешнем магнитном поле, которое необходимо измерить (см. G. Balasubramanian, I.Y. Chan, R. Kolesov, M. Al-Hmoud, J. Tisler, C. Shin, C. Kim, A. Wojcik, P.R. Hemmer, A. Krueger, T. Hanke, A. Leitenstorfer, R. Bratschitsch, F. Jelezko, J. Wrachtrup. - Nanoscale imaging magnetometry with diamond spins under ambient conditions, Nature, V. 455, pp. 648-651, 2008). Способ включает воздействие сфокусированным лазерным излучением на активный материал - кристалл алмаза с NV центрами, в месте измерения магнитного поля, которое приводит в изменению населенностей триплетных спиновых уровней (S=1), воздействие на активный материал внешним постоянным магнитным полем; воздействие сверхвысокочастотным (СВЧ) излучением с энергией, близкой к величине расщепления тонкой структуры для NV центров (резонансная частота электромагнитного поля 2,8 ГГц), которое взаимодействует со спиновой системой NV центров и вызывает изменение заполнения спиновых уровней под действием радиочастотного электромагнитного поля. Регистрируют фотолюминесценцию (ФЛ) NV центров; изменяют частоту радиочастотного электромагнитного поля и измеряют частоты, при которых наблюдают изменение интенсивности фотолюминесценции NV центров, обусловленное магнитным резонансом на спиновых уровнях NV центров; измеряют частоту радиочастотного электромагнитного поля, на которой происходит магнитный резонанс, и определяют величину магнитного поля по частоте радиочастотного электромагнитного поля магнитного резонанса в соответствии с зеемановским сдвигом спиновых уровней в измеряемом магнитном поле.

Недостатками известного способа измерения магнитного поля является использование алмазов с NV центрами в качестве активного материала для измерения магнитных полей, технология получения которого чрезвычайно дорогостоящая и относительно слабо развита. Кроме того, используют оптический диапазон в видимой области (680 нм центр спектра фотолюминесценции), который плохо совмещается с волоконной оптикой на основе кремния, а также с полосой прозрачности биологических систем. Способ основан на измерении частотных отклонений, зависящих от расщепления зеемановских уровней для триплетного состояния (S=1) в магнитном поле, при этом для триплетных уровней наблюдается сильное воздействие напряжений в алмазе, приводящих к локальному отклонению симметрии NV центра от аксиальной, что приводит к существенному уширению и даже дополнительному расщеплению сигналов ОДМР. Расщепление тонкой структуры для NV центров в алмазе также существенно зависит не только от неконтролируемых напряжений в кристалле алмаза, но и от температуры, что понижает точность измерений магнитного поля и требует дополнительных усилий для исключения этих эффектов. Недостатком использования NV центров для измерений магнитных полей является наличие четырех эквивалентных ориентаций этих центров в кристалле алмаза, что требует предварительного выставления ориентации кристалла, при этом для массивов NV центров значительная часть спиновых центров не участвует в измерениях и приводит к уменьшению контрастности сигнала ОДМР.

Известен способ измерения магнитного поля (см. заявка ЕР 2837930, МПК G01N 21/64, G01N 24/10, G01R 33/24, опубликована 18.02.2015) включающий воздействие оптического излучения на алмаз, содержащий NV центры для выстраивания электронных спинов в определенном спиновом состоянии; воздействие непрерывным радиочастотным электромагнитным полем или импульсами радиочастотного электромагнитного поля на алмаз, содержащий NV центры таким образом, чтобы вызвать переходы между электронными спиновыми состояниями NV центров для конкретных значений частоты СВЧ излучения, которые зависят от измеряемого магнитного поля, и регистрацию интенсивности оптического излучения, выходящего из алмаза, содержащего NV центры таким образом, чтобы определить зеемановский сдвиг и, следовательно, магнитное поле.

Недостатками известного способа является использование алмазов с NV центрами в качестве активного материала для измерения магнитных полей. В способе используют оптический диапазон в видимой области, который плохо совмещается с волоконной оптикой на основе кремния, а также с полосой прозрачности биологических систем. В известном способе необходимо использовать сравнительно мощное микроволновое излучение, что усложняет способ, создает дополнительные шумы.

Известен способ измерения магнитного поля, совпадающий с настоящим решением по наибольшему числу существенных признаков и принятый за прототип (см. Н. Kraus, V.A. 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, Nature Scientific Reports, 2014). Способ-прототип основан на оптическом детектировании магнитного резонанса на спиновых центрах с основным квадруплетным спиновым состоянием в карбиде кремния гексагонального или ромбического политипа во внешнем магнитном поле, которое необходимо измерить. Данные вакансионные спиновые центры в карбиде кремния (SiC) обладают свойствами, качественно совпадающими по ряду позиций с NV центрам в алмазе, однако характеризующихся квадруплетной структурой спиновых уровней в основном состоянии (S=3/2). Спиновые центры с основным квадруплетным спиновым состоянием представляют собой отрицательно заряженную вакансию кремния (VSi-) со спином S=3/2, взаимодействующую с нейтральной вакансией углерода (VС0), расположенной вдоль гексагональной кристаллографической оси (с - оси) относительно вакансии кремния и не имеющую молекулярной связи с вакансией кремния. При оптическом возбуждении в ближнем ИК диапазоне происходит выстраивание спинов таких спиновых центров, при этом создается неравновесное заполнение спиновых уровней. Изменение заполнения спиновых уровней при облучении кристалла перестраиваемым по частоте радиочастотным электромагнитным полем, модулированным низкой частотой, при совпадении частоты радиочастотного электромагнитного поля с частотой магнитного резонанса происходит изменение интенсивности люминесценции активных спиновых центров. В способе-прототипе в области изменения интенсивности люминесценции снимают кривые зависимости изменения интенсивности люминесценции спиновых центров с основным квадруплетным спиновым состоянием от величины перестраиваемого по частоте радиочастотного электромагнитного поля, определяют частоту точки перегиба кривых люминесценции вблизи частоты постоянного радиочастотного электромагнитного поля и по значению частоты определяют величину магнитного поля.

Спиновый гамильтониан Н, описывающий спиновые уровни спинового центра с основным квадруплетным спиновым состоянием S=3/2 в магнитном поле В, имеет вид

Н=geβeBS2+D[Sz2-1/3S(S+1)], Дж;

где первое слагаемое отражает зеемановское расщепление спиновых уровней в магнитном поле; второе слагаемое отражает расщепление тонкой структуры для спинового центра аксиальной симметрии; где:

В - постоянное магнитное поле, Тл;

Sz - безразмерный оператор проекции электронного спина S=3/2 на направление внешнего магнитного поля;

gе=2,002 - безразмерная величина, называемая g-фактором и характеризующая гиромагнитное отношение для электронного магнитного момента используемого спинового центра с основным квадруплетным спиновым состоянием в карбиде кремния;

gеβе=γ=1,8548⋅10-23 Дж/Тл или γ=28 МГц/мТл - гиромагнитное отношение для электронного магнитного момента спинового центра;

βе=9,2740⋅10-24 - магнетон Бора, Дж/Тл;

D - расщепление тонкой структуры для спинового центра с основным квадруплетным спиновым состоянием в карбиде кремния, Дж (МГц), 1 Дж=1,509⋅1027 МГц;

D=13,5 - для V1(V3) центра в карбиде кремния политипа 6H-SiC, МГц;

D=33 - для V2 центра в карбиде кремния политипа 4H-SiC, МГц;

D=25,1 - для V4 центра в карбиде кремния политипа 15R-SiC, МГц.

Частоты f переходов между уровнями с разными проекциями спина MS на направление внешнего магнитного поля находят по формулам:

f(-3/2↔-1/2)=2D/h-γB, f(3/2↔1/2)=2D/h+γB, для магнитного поля направленного вдоль аксиальной оси спинового центра, отметим, что аксиальные оси всего ансамбля спиновых центров с квадруплетным основным состоянием в кристалле SiC совпадают (в отличие от рассмотренных выше NV центров в алмазе)

где: h=6,626070⋅1034 - постоянная Планка, Дж.с.

То есть частота f перехода зависит линейно от магнитного поля В с коэффициентом γ.

Недостатком известного способа измерения магнитного поля является сравнительно большая ширина линии изменения интенсивности люминесценции и слабая линейная зависимость с коэффициентом у положения сигналов ОДМР от магнитного поля. Эти два параметра снижают чувствительность и точность определения магнитных полей.

Задачей настоящего изобретения являлась разработка способа измерения магнитного поля, который бы позволит уменьшить ширину линии линии изменения интенсивности люминесценции и увеличить крутизну зависимости положения сигналов ОДМР от величины измеряемых магнитных полей и, тем самым, увеличить чувствительность и точность определения магнитных полей. Основной причиной большой ширины линии изменения интенсивности люминесценции является неоднородное уширение, которое обусловлено локальными неоднородностями напряжений и магнитных полей.

Поставленная задача решается группой изобретений, объединенных единым изобретательским замыслом.

По первому варианту поставленная задача решается тем, что способ измерения магнитного поля включает воздействие на кристалл карбида кремния гексагонального или ромбического политипа, содержащего спиновые центры с основным квадруплетным спиновым состоянием, сфокусированным лазерным излучением, перестраиваемым по частоте радиочастотным электромагнитным полем, модулированным низкой частотой, и постоянным радиочастотным электромагнитным полем. Измеряют интенсивность люминесценции упомянутых спиновых центров с основным квадруплетным спиновым состоянием при различной частоте перестраиваемого по частоте радиочастотного электромагнитного поля в отсутствии внешнего постоянного магнитного поля и при его различной величине. В области изменения интенсивности люминесценции снимают кривые зависимости изменения интенсивности люминесценции спиновых центров с основным квадруплетным спиновым состоянием от частоты перестраиваемого по частоте радиочастотного электромагнитного поля. Определяют частоты по меньшей мере одной точки перегиба кривых изменения интенсивности люминесценции в виде провала вблизи частоты постоянного радиочастотного электромагнитного поля. По значениям частот по меньшей мере одной точки перегиба кривых изменения интенсивности люминесценции в виде провала, соответствующих различной величине внешнего постоянного магнитного поля строят градировочную зависимость величины магнитного поля от частоты по меньшей мере одной точки перегиба кривой изменения интенсивности люминесценции в виде провала. Затем помещают на поверхность упомянутого кристалла исследуемый образец, воздействуют на упомянутый кристалл сфокусированным лазерным излучением, перестраиваемым по частоте радиочастотным электромагнитным полем, модулированным низкой частотой, и постоянным радиочастотным электромагнитным полем. Измеряют интенсивность люминесценции при различной частоте перестраиваемого по частоте электромагнитного поля. В области изменения интенсивности люминесценции снимают кривую зависимости изменения интенсивности люминесценции от частоты перестраиваемого по частоте радиочастотного электромагнитного поля. Определяют частоту по меньшей мере одной точки перегиба кривой изменения интенсивности люминесценции в виде провала вблизи частоты постоянного радиочастотного электромагнитного поля и определяют величину магнитного поля, создаваемого исследуемым образцом в точке фокуса лазерного излучения, по частоте точки перегиба кривой изменения интенсивности люминесценции в виде провала на градуировочной зависимости.

На упомянутый кристалл можно воздействовать перестраиваемым по частоте радиочастотным электромагнитным полем в диапазоне от 1 МГц до 6 ГГЦ и модулированным низкой частотой.

Могут быть определены частоты точки перегиба кривых изменения интенсивности люминесценции в виде провала, меньшие частоты постоянного радиочастотного электромагнитного поля или большие частоты постоянного радиочастотного электромагнитного поля, или меньшие частоты постоянного радиочастотного электромагнитного поля и большие частоты постоянного радиочастотного электромагнитного поля.

Модулирование низкой частотой перестраиваемого по частоте радиочастотного электромагнитного поля может быть выполнено в виде модуляции частоты или в виде модуляции амплитуды.

Возбуждение люминесценции спиновых центров с основным квадруплетным спиновым состоянием сфокусированным лазерным излучением может быть осуществлено с использованием конфокальной оптики или с использованием микроскопии на основе подавления спонтанного испускания.

Сфокусированным лазерным излучением, перестраиваемым по частоте радиочастотным электромагнитным полем, модулированным низкой частотой, и постоянным радиочастотным электромагнитным полем можно воздействовать на нанокристалл карбида кремния, содержащего по меньшей мере один спиновый центр с основным квадруплетным спиновым состоянием S=3/2.

В основе способа измерения магнитного поля лежит спектральное «выжигание» провалов для спектрального выделения однородных узких по ширине спиновых пакетов, связанныых со спиновыми центрами с основным квадруплетным спиновым состоянием в карбиде кремния. Постоянное радиочастотное электромагнитное поле насыщает спиновый переход MS=-1/2↔MS=-3/2 с одним конкретным D. Из-за спиновой релаксации спиновый переход воздействует на переход MS=+1/2↔MS=+3/2 с тем же D. Следовательно, происходит изменение интенсивности люминесценции спиновых центров с основным квадруплетным спиновым состоянием в виде провала при F(ТП1)=F(пocт)+2γB, где F(ТП) - частота провала; F(пост) - частота постоянного радиочастотного электромагнитного поля. Если неоднородное уширение больше зеемановского расщепления, то тоже постоянное радиочастотное электромагнитное поле также насыщает переход MS=+1/2↔MS=+3/2), но с другим D. Соответственно, этот переход влияет на переход (MS=-1/2↔MS=-3/2), а другой провал появляется при F(ТП2)=F(пост)-2γB. Таким образом, коэффициент для линейной зависимости от постоянного магнитного поля равен 2γ, то есть в два раза выше по сравнению с прототипом, где соответствующий коэффициент равен гиромагнитному отношению γ. Оба провала могут использоваться для измерения магнитного поля, причем расстояние между ними F(TП1)-F(ТП2)=4γB, 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 изменения интенсивности люминесценции спиновых центров с основным квадруплетным спиновым состоянием, зависящие от расщепления зеемановских уровней для основного квадруплетного спинового состояния S=3/2 спиновых центров в карбиде кремния, которое зависит от величины внешнего магнитного поля в соответствии с формулой для зеемановского расщепления спиновых уровней. По значениям частот точки(ек) перегиба кривых изменения интенсивности люминесценции в виде провала, соответствующих различной величине внешнего постоянного магнитного поля строим градировочную зависимость величины магнитного поля от частоты по меньшей мере одной точки перегиба кривой изменения интенсивности люминесценции в виде провала. Используют одна из формул: если имеется один провал: B=|F(ТП)-F(пост)|/(2γ); если видны оба провала: В=|F(ТП1)-F(ТП2)|/(4γ).

По второму варианту поставленная задача решается тем, что способ измерения магнитного поля включает воздействие на кристалл карбида кремния гексагонального или ромбического политипа, содержащего спиновые центры с основным квадруплетным спиновым состоянием, сфокусированным лазерным излучением, перестраиваемым по частоте радиочастотным электромагнитным полем, и постоянным радиочастотным электромагнитным полем, модулированным низкой частотой. Измеряют интенсивность люминесценции при различной частоте перестраиваемого по частоте радиочастотного электромагнитного поля в отсутствии внешнего постоянного магнитного поля и при его различной величине. В области изменения интенсивности люминесценции снимают кривые зависимости изменения интенсивности люминесценции упомянутых спиновых центров с основным квадруплетным спиновым состоянием от частоты перестраиваемого по частоте радиочастотного электромагнитного поля. Определяют частоты по меньшей мере одной точки перегиба кривых изменения интенсивности люминесценции в виде провала вблизи частоты постоянного радиочастотного электромагнитного поля, модулированного низкой частотой. По значениям частот по меньшей мере одной точки перегиба кривых изменения интенсивности люминесценции в виде провала, соответствующих различной величине внешнего постоянного магнитного поля, строят градировочную зависимость величины магнитного поля от частоты по меньшей мере одной точки перегиба кривой изменения интенсивности люминесценции в виде провала. Затем помещают на поверхность упомянутого кристалла исследуемый образец, воздействуют на упомянутый кристалл сфокусированным лазерным излучением, перестраиваемым по частоте радиочастотным электромагнитным полем, и постоянным радиочастотным электромагнитным полем, модулированным низкой частотой. Измеряют интенсивность люминесценции при различной частоте перестраиваемого по частоте электромагнитного поля. В области изменения интенсивности люминесценции снимают кривую зависимости изменения интенсивности люминесценции от частоты перестраиваемого по частоте радиочастотного электромагнитного поля. Определяют частоту по меньшей мере одной точки перегиба кривой изменения интенсивности люминесценции в виде провала вблизи частоты постоянного радиочастотного электромагнитного поля, модулированного низкой частотой, и определяют величину магнитного поля, создаваемого исследуемым образцом в точке фокуса лазерного излучения, по частоте точки перегиба изменения интенсивности люминесценции в виде провала на градуировочной зависимости.

На упомянутый кристалл можно воздействовать перестраиваемым по частоте радиочастотным электромагнитным полем в диапазоне от 1 МГц до 6 ГГЦ.

Могут быть определены частоты точки перегиба кривых изменения интенсивности люминесценции в виде провала, меньшие частоты постоянного радиочастотного электромагнитного поля, модулированного низкой частотой, или большие частоты постоянного радиочастотного электромагнитного поля, модулированного низкой частотой, или меньшие частоты постоянного радиочастотного электромагнитного поля, модулированного низкой частотой, и большие частоты постоянного радиочастотного электромагнитного поля, модулированного низкой частотой.

Модулирование низкой частотой постоянного радиочастотного электромагнитного поля может быть выполнено в виде модуляции частоты или в виде модуляции амплитуды.

Возбуждение люминесценции спиновых центров с основным квадруплетным спиновым состоянием сфокусированным лазерным излучением может быть осуществлено с использованием конфокальной оптики или с использованием микроскопии на основе подавления спонтанного испускания.

Сфокусированным лазерным излучением, перестраиваемым по частоте радиочастотным электромагнитным полем и постоянным радиочастотным электромагнитным полем, модулированным низкой частотой, можно воздействовать на нанокристалл карбида кремния, содержащего по меньшей мере один спиновый центр с основным квадруплетным спиновым состоянием S=3/2.

Новым в настоящем способе по первому варианту является воздействие на кристалл карбида кремния гексагонального или ромбического политипа, содержащего спиновые центры с основным квадруплетным спиновым состоянием, помимо перестраиваемого по частоте радиочастотного электромагнитного поля, модулированного низкой частотой, еще и постоянным радиочастотным электромагнитным полем.

Новым в настоящем способе по второму варианту является воздействие на кристалл карбида кремния гексагонального или ромбического политипа, содержащего спиновые центры с основным квадруплетным спиновым состоянием, перестраиваемым по частоте радиочастотным электромагнитным полем и постоянным радиочастотным электромагнитным полем, модулированным низкой частотой.

Одновременное воздействие двумя полями: перестраиваемым по частоте радиочастотным электромагнитным полем, модулированным низкой частотой, и постоянным радиочастотным электромагнитным полем как в первом варианте, или перестраиваемым по частоте радиочастотным электромагнитным полем и постоянным радиочастотным электромагнитным полем, модулированным низкой частотой, как во втором варианте, приводит к появлению спектрально «выжженных» провалов в сигнале ОДМР, зарегистрированном по изменению интенсивности фотолюминесценции в условиях окружающей среды - вплоть до комнатных температур и превышающих комнатные температуры. Увеличение чувствительности способа обусловлено малой шириной сигнала «выжженного» провала по сравнению с сигналом ОДМР без провала (уменьшение ширины линии вплоть до порядка) и более крутой частотной зависимостью положения сигналов от магнитного поля по сравнению с обычной частотной зависимостью для сигнала ОДМР без провала.

Настоящее техническое решение поясняется чертежом, где:

на фиг. 1 приведена градировочная зависимость величины магнитного поля от значения частоты двух точек перегиба кривых изменения интенсивности люминесценции в виде провалов (рабочий материал - пластина карбида кремния 4H-SiC, содержащего спиновые центры с основным квадруплетным спиновым состоянием; F(пост) - частота постоянного радиочастотного электромагнитного поля; крестиками отмечены частоты F(TП) точек перегиба);

на фиг. 2 приведена кривая зависимости изменения интенсивности люминесценции спиновых центров с основным квадруплетным спиновым состоянием от частоты F(пер) перестраиваемого по частоте радиочастотного электромагнитного поля при помещении магнитной пленки на активный рабочий материал, создающей магнитное поле.

Настоящий способ измерения магнитного поля осуществляют следующим образом. По первому варианту воздействуют на кристалл карбида кремния гексагонального или ромбического политипа, содержащего спиновые центры с основным квадруплетным спиновым состоянием, сфокусированным лазерным излучением, например, с длиной волны 785 нм или 805 нм, постоянным радиочастотным электромагнитным полем, создаваемым первым ВЧ генератором, частота которого находится в пределах ширины линии изменения интенсивности люминесценции, и перестраиваемым по частоте радиочастотным электромагнитным полем, например, в диапазоне от 1 МГц до 6 ГГЦ, модулированным низкой частотой, например, в частотном диапазоне от сотен герц до сотен килогерц, создаваемым вторым ВЧ генератором. Воздействовать можно и на нанокристалл карбида кремния, содержащего по меньшей мере один спиновый центр с основным квадруплетным спиновым состоянием S=3/2. Модулирование низкой частотой перестраиваемого по частоте радиочастотного электромагнитного поля может быть выполнено в виде модуляции амплитуды или в виде модуляции частоты. Измеряют интенсивность люминесценции спиновых центров с основным квадруплетным спиновым состоянием при различной частоте перестраиваемого по частоте электромагнитного поля, например, с помощью с помощью синхронного детектора, в отсутствии внешнего постоянного магнитного поля и при его различной величине. В области изменения интенсивности люминесценции снимают кривые зависимости изменения интенсивности люминесценции спиновых центров с основным квадруплетным спиновым состоянием от частоты перестраиваемого по частоте радиочастотного электромагнитного поля. Определяют частоты по меньшей мере одной точки перегиба кривых изменения интенсивности люминесценции в виде провала вблизи частоты постоянного радиочастотного электромагнитного поля. Если частота постоянного радиочастотного электромагнитного поля находится в правой части уширенной линии изменения интенсивности люминесценции, то определяют частоты точки перегиба кривых изменения интенсивности люминесценции в виде провала, меньшие частоты постоянного радиочастотного электромагнитного поля. Если частота постоянного радиочастотного электромагнитного поля находится в левой части уширенной линии изменения интенсивности люминесценции, то определяют частоты точки перегиба кривых изменения интенсивности люминесценции в виде провала, большие частоты постоянного радиочастотного электромагнитного поля. Если частота постоянного радиочастотного электромагнитного поля находится вблизи центра уширенной линии изменения интенсивности люминесценции, то определяют частоты точек перегиба кривых изменения интенсивности люминесценции в виде провала, меньшие частоты постоянного радиочастотного электромагнитного поля и большие частоты постоянного радиочастотного электромагнитного поля. По значениям частот по меньшей мере одной точки перегиба кривых изменения интенсивности люминесценции в виде провала, соответствующих различной величине внешнего постоянного магнитного поля строят градировочную зависимость величины магнитного поля от частоты по меньшей мере одной точки перегиба кривой изменения интенсивности люминесценции в виде провала (см. фиг. 1) Затем помещают на поверхность кристалла исследуемый образец, воздействуют на упомянутый кристалл сфокусированным лазерным излучением, перестраиваемым по частоте радиочастотным электромагнитным полем, например, в диапазоне от 1 МГц до 6 ГГЦ, модулированным низкой частотой в частотном диапазоне от сотен герц до килогерц, и постоянным радиочастотным электромагнитным полем частотой в пределах ширины линии ОДМР. Измеряют интенсивность люминесценции при различной частоте перестраиваемого по частоте электромагнитного поля. В области изменения интенсивности люминесценции снимают кривую зависимости изменения интенсивности люминесценции от частоты перестраиваемого по частоте радиочастотного электромагнитного поля, определяют частоту по меньшей мере одной точки перегиба кривой изменения интенсивности люминесценции в виде провала вблизи частоты постоянного радиочастотного электромагнитного поля. И определяют величину магнитного поля, создаваемого исследуемым образцом в точке фокуса лазерного излучения, по частоте точки перегиба кривой изменения интенсивности люминесценции в виде провала на градуировочной зависимости.

Измерение магнитного поля по второму варианту отличается от первого варианта лишь тем, на кристалл карбида кремния гексагонального или ромбического политипа, содержащего спиновые центры с основным квадруплетным спиновым состоянием, воздействуют не перестраиваемым по частоте радиочастотным электромагнитным полем, модулированным низкой частотой, и постоянным радиочастотным электромагнитным полем, а перестраиваемым по частоте радиочастотным электромагнитным полем, и постоянным радиочастотным электромагнитным полем, модулированным низкой частотой. Остальные операции по второму варианту совпадают с операциями по первому варианту. При использовании конфокального оптического сканирующего микроскопа возможно 2D или 3D сканирование малого оптически возбуждаемого объема (менее 0,5 мкм) кристалла карбида кремния и измерение магнитного поля в этом объеме. Настоящий способ может быть использован для получения градиента магнитного поля при пространственном перемещении возбуждаемого светом пятна в плоскости, перпендикулярной лазерному лучу. Как упоминалось ранее, частота перехода зависит линейно от магнитного поля В с коэффициентом у. В нашем случае мы видим зависимости с коэффициентом 4у, что превосходит по чувствительности практически на половину порядка, а по точности определения на порядок, ввиду уменьшения ширины линии примерно в 10 раз.

Пример 1. Описанным выше способом было построена градуировочная зависимость величины магнитного поля от частоты двух точек перегиба кривой изменения интенсивности люминесценции в виде провалов для карбида кремния гексагонального политипа 4H-SiC, представленная на фиг. 1. Далее на пластину карбида кремния размещали образец в виде магнитной пленки и воздействовали на пластину карбида кремния перестраиваемым по частоте радиочастотным электромагнитным полем, амплитудная модуляция которого происходила на частоте 1130 Гц, в диапазоне 65 МГц-75 МГц, постоянным радиочастотным электромагнитным полем 69,8 МГц и сфокусированным лазерным излучением с длиной волны 808 нм, размер пятна в диаметре примерно 1 мкм. В области изменения интенсивности люминесценции снимали кривую зависимости изменения интенсивности люминесценции спиновых центров с основным квадруплетным спиновым состоянием от частоты перестраиваемого по частоте радиочастотного электромагнитного поля. На снятой кривой зависимости определили частоты F1(ТП) и F2(ТП) двух точек перегиба кривых изменения интенсивности люминесценции в виде провала вблизи частоты F(пост) постоянного радиочастотного электромагнитного поля 69,8 МГц, которые оказались равными соответственно 67,81 МГц и 72,22 МГц. По этим значениям частот по градуировочной кривой определили величину магнитного поля, создаваемого магнитной пленкой, которая оказалась равной 18 мкТл.

Пример 2. Описанным выше способом было построена градуировочная зависимость величины магнитного поля от частоты двух точек перегиба кривой изменения интенсивности люминесценции в виде провалов для карбида кремния гексагонального политипа 4H-SiC, представленная на фиг. 1. Далее на пластину карбида кремния размещали образец в виде магнитной пленки и воздействовали на пластину карбида кремния перестраиваемым по частоте радиочастотным электромагнитным полем в диапазоне 65 МГц-75 МГц, постоянным радиочастотным электромагнитным полем 69,8 МГц, амплитудная модуляция которого происходила на частоте 1130 Гц, и сфокусированным лазерным излучением с длиной волны 808 нм, размер пятна в диаметре примерно 1 мкм. С этой области регистрировали изменение люминесценции спиновых центров с основным квадруплетным спиновым состоянием с длиной волны 850-950 нм при температуре 300 К. В области изменения интенсивности люминесценции снимали кривую зависимости изменения интенсивности люминесценции спиновых центров с основным квадруплетным спиновым состоянием от частоты перестраиваемого по частоте радиочастотного электромагнитного поля. На снятой кривой зависимости, показанной на фиг.2, определили частоты F1(ТП) и F2(ТП) двух точек перегиба (отмечены крестиками) кривых изменения интенсивности люминесценции в виде провала вблизи частоты F(пост) постоянного радиочастотного электромагнитного поля 69,8 МГц, которые оказались равными соответственно 68,06 МГц и 71,96 МГц. По этим значениям частот по градуировочной кривой определили величину магнитного поля, создаваемого магнитной пленкой, которая оказалась равной 12 мкТл.

Градуировочные кривые позволяют проводить измерения дополнительных магнитных полей, возникающих, например, при помещении на пластину карбида кремния со спиновыми центрами объекта исследования, в котором имеются источники магнитных полей.

Похожие патенты RU2695593C1

название год авторы номер документа
ОПТИЧЕСКИЙ МАГНИТОМЕТР 2018
  • Анисимов Андрей Николаевич
  • Бабунц Роман Андреевич
  • Музафарова Марина Викторовна
  • Гурин Александр Сергеевич
  • Солтамов Виктор Андреевич
  • Баранов Павел Георгиевич
RU2691774C1
ОПТИЧЕСКИЙ МАГНИТОМЕТР 2018
  • Анисимов Андрей Николаевич
  • Бабунц Роман Андреевич
  • Музафарова Марина Викторовна
  • Ильин Иван Владимирович
  • Солтамов Виктор Андреевич
  • Баранов Павел Георгиевич
RU2691775C1
СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ МАГНИТНОГО ПОЛЯ 2015
  • Бабунц Роман Андреевич
  • Музафарова Марина Викторовна
  • Анисимов Андрей Николаевич
  • Бундакова Анна Павловна
  • Толмачев Данил Олегович
  • Астахов Георгий Владимирович
  • Солтамов Виктор Андреевич
  • Баранов Павел Георгиевич
RU2601734C1
СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ 2018
  • Анисимов Андрей Николаевич
  • Бабунц Роман Андреевич
  • Музафарова Марина Викторовна
  • Бундакова Анна Павловна
  • Солтамов Виктор Андреевич
  • Баранов Павел Георгиевич
RU2691766C1
СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ 2015
  • Анисимов Андрей Николаевич
  • Солтамов Виктор Андреевич
  • Музафарова Марина Викторовна
  • Бундакова Анна Павловна
  • Бабунц Роман Андреевич
  • Баранов Павел Георгиевич
RU2617293C1
ОПТИЧЕСКИЙ КВАНТОВЫЙ ТЕРМОМЕТР 2015
  • Анисимов Андрей Николаевич
  • Солтамов Виктор Андреевич
  • Музафарова Марина Викторовна
  • Ильин Иван Владимирович
  • Бабунц Роман Андреевич
  • Баранов Павел Георгиевич
RU2617194C1
ОПТИЧЕСКИЙ МАГНИТОМЕТР 2015
  • Бабунц Роман Андреевич
  • Музафарова Марина Викторовна
  • Анисимов Андрей Николаевич
  • Толмачев Данил Олегович
  • Астахов Георгий Владимирович
  • Солтамов Виктор Андреевич
  • Баранов Павел Георгиевич
RU2607840C1
Оптический способ измерения магнитного поля 2020
  • Кучеренко Михаил Геннадьевич
  • Налбандян Виктор Меружанович
RU2751147C1
АКТИВНЫЙ МАТЕРИАЛ ДЛЯ МАЗЕРА С ОПТИЧЕСКОЙ НАКАЧКОЙ И МАЗЕР С ОПТИЧЕСКОЙ НАКАЧКОЙ 2012
  • Баранов Павел Георгиевич
  • Бабунц Роман Андреевич
  • Солтамова Александра Андреевна
  • Солтамов Виктор Андреевич
  • Бундакова Анна Павловна
RU2523744C2
СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОРИЕНТАЦИИ NV ДЕФЕКТОВ В КРИСТАЛЛЕ 2014
  • Бабунц Роман Андреевич
  • Музафарова Марина Викторовна
  • Анисимов Андрей Николаевич
  • Солтамов Виктор Андреевич
  • Баранов Павел Георгиевич
RU2570471C1

Иллюстрации к изобретению RU 2 695 593 C1

Реферат патента 2019 года СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ МАГНИТНОГО ПОЛЯ

Изобретение относится к области измерительной техники и касается способа измерения магнитного поля. Способ включает воздействие на кристалл карбида кремния, содержащего спиновые центры с основным квадруплетным спиновым состоянием, сфокусированным лазерным излучением, перестраиваемым по частоте радиочастотным электромагнитным полем и постоянным радиочастотным электромагнитным полем. Одно из радиочастотных полей модулировано низкой частотой. При этом измеряют интенсивность люминесценции спиновых центров на разных частотах перестраиваемого радиочастотного поля при различных величинах внешнего магнитного поля. По значениям частот точки перегиба кривых изменения интенсивности люминесценции, соответствующих различной величине внешнего постоянного магнитного поля, строят градуировочную зависимость величины магнитного поля от частоты точки перегиба. Затем производят измерения для исследуемого образца и определяют частоту точки перегиба кривой изменения интенсивности люминесценции вблизи частоты постоянного радиочастотного поля. Величину магнитного поля, создаваемого исследуемым образцом, определяют по частоте точки перегиба на градуировочной зависимости. Технический результат заключается в увеличении чувствительности и точности определения магнитных полей. 2 н. и 18 з.п. ф-лы, 2 ил.

Формула изобретения RU 2 695 593 C1

1. Способ измерения магнитного поля, включающий воздействие на кристалл карбида кремния гексагонального или ромбического политипа, содержащего спиновые центры с основным квадруплетным спиновым состоянием, сфокусированным лазерным излучением, перестраиваемым по частоте радиочастотным электромагнитным полем, модулированным низкой частотой, и постоянным радиочастотным электромагнитным полем, при этом измеряют интенсивность люминесценции упомянутых спиновых центров с основным квадруплетным спиновым состоянием при различной частоте перестраиваемого по частоте радиочастотного электромагнитного поля в отсутствие внешнего постоянного магнитного поля и при его различной величине, в области изменения интенсивности люминесценции снимают кривые зависимости изменения интенсивности люминесценции спиновых центров с основным квадруплетным спиновым состоянием от частоты перестраиваемого по частоте радиочастотного электромагнитного поля, определяют частоты по меньшей мере одной точки перегиба кривых изменения интенсивности люминесценции в виде провала вблизи частоты постоянного радиочастотного электромагнитного поля и по значениям частот по меньшей мере одной точки перегиба кривых изменения интенсивности люминесценции в виде провала, соответствующих различной величине внешнего постоянного магнитного поля, строят градуировочную зависимость величины магнитного поля от частоты по меньшей мере одной точки перегиба кривой изменения интенсивности люминесценции в виде провала, затем помещают на поверхность упомянутого кристалла исследуемый образец, воздействуют на упомянутый кристалл сфокусированным лазерным излучением, перестраиваемым по частоте радиочастотным электромагнитным полем, модулированным низкой частотой, и постоянным радиочастотным электромагнитным полем, измеряют интенсивность люминесценции при различной частоте перестраиваемого по частоте электромагнитного поля, в области изменения интенсивности люминесценции снимают кривую зависимости изменения интенсивности люминесценции от частоты перестраиваемого по частоте радиочастотного электромагнитного поля, определяют частоту по меньшей мере одной точки перегиба кривой изменения интенсивности люминесценции в виде провала вблизи частоты постоянного радиочастотного электромагнитного поля и определяют величину магнитного поля, создаваемого исследуемым образцом в точке фокуса лазерного излучения, по частоте по меньшей мере одной точки перегиба кривой изменения интенсивности люминесценции в виде провала на градуировочной зависимости.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что воздействуют на упомянутый кристалл перестраиваемым по частоте радиочастотным электромагнитным полем в диапазоне от 1 МГц до 6 ГГц и модулированным низкой частотой.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что определяют частоты точки перегиба кривых изменения интенсивности люминесценции в виде провала, меньшие частоты постоянного радиочастотного электромагнитного поля.

4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что определяют частоты точки перегиба кривых изменения интенсивности люминесценции в виде провала, большие частоты постоянного радиочастотного электромагнитного поля.

5. Способ по п. 1, отличающийся тем, что определяют частоты точек перегиба кривых изменения интенсивности люминесценции в виде провала, меньшие частоты постоянного радиочастотного электромагнитного поля и большие частоты постоянного радиочастотного электромагнитного поля.

6. Способ по п. 1, отличающийся тем, что модулирование низкой частотой перестраиваемого по частоте радиочастотного электромагнитного поля выполнено в виде модуляции частоты.

7. Способ по п. 1, отличающийся тем, что модулирование низкой частотой перестраиваемого по частоте радиочастотного электромагнитного поля выполнено в виде модуляции амплитуды.

8. Способ по п. 1, отличающийся тем, что возбуждение люминесценции спиновых центров с основным квадруплетным спиновым состоянием сфокусированным лазерным излучением осуществляют с использованием сканирующего конфокального микроскопа.

9. Способ по п. 1, отличающийся тем, что возбуждение люминесценции спиновых центров с основным квадруплетым спиновым состоянием, сфокусированным лазерным излучением, осуществляют с использованием микроскопии на основе подавления спонтанного испускания.

10. Способ по п. 1, отличающийся тем, что сфокусированным лазерным излучением, перестраиваемым по частоте радиочастотным электромагнитным полем, модулированным низкой частотой, и постоянным радиочастотным электромагнитным полем, воздействуют на нанокристалл карбида кремния, содержащего по меньшей мере один спиновый центр с основным квадруплетным спиновым состоянием S=3/2.

11. Способ измерения магнитного поля, включающий воздействие на кристалл карбида кремния гексагонального или ромбического политипа, содержащего спиновые центры с основным квадруплетным спиновым состоянием, сфокусированным лазерным излучением, перестраиваемым по частоте радиочастотным электромагнитным полем, и постоянным радиочастотным электромагнитным полем, модулированным низкой частотой, при этом измеряют интенсивность люминесценции при различной частоте перестраиваемого по частоте электромагнитного поля в отсутствие внешнего постоянного магнитного поля и при его различной величине, в области изменения интенсивности люминесценции снимают кривые зависимости изменения интенсивности люминесценции упомянутых спиновых центров с основным квадруплетным спиновым состоянием от частоты перестраиваемого по частоте радиочастотного электромагнитного поля, определяют частоты по меньшей мере одной точки перегиба кривых изменения интенсивности люминесценции в виде провала вблизи частоты постоянного радиочастотного электромагнитного поля, модулированного низкой частотой, и по значениям частот по меньшей мере одной точки перегиба кривых изменения интенсивности люминесценции в виде провала, соответствующих различной величине внешнего постоянного магнитного поля, строят градуировочную зависимость величины магнитного поля от частоты по меньшей мере одной точки перегиба кривой изменения интенсивности люминесценции в виде провала, затем помещают на поверхность упомянутого кристалла исследуемый образец, воздействуют на упомянутый кристалл сфокусированным лазерным излучением, перестраиваемым по частоте радиочастотным электромагнитным полем и постоянным радиочастотным электромагнитным полем, модулированным низкой частотой, измеряют интенсивность люминесценции при различной частоте перестраиваемого по частоте электромагнитного поля, в области изменения интенсивности люминесценции снимают кривую зависимости изменения интенсивности люминесценции от частоты перестраиваемого по частоте радиочастотного электромагнитного поля, определяют частоту по меньшей мере одной точки перегиба кривой изменения интенсивности люминесценции в виде провала вблизи частоты постоянного радиочастотного электромагнитного поля, модулированного низкой частотой, и определяют величину магнитного поля, создаваемого исследуемым образцом в точке фокуса лазерного излучения, по частоте точки перегиба кривой изменения интенсивности люминесценции в виде провала на градуировочной зависимости.

12. Способ по п. 11, отличающийся тем, что воздействуют на упомянутый кристалл перестраиваемым по частоте радиочастотным электромагнитным полем в диапазоне от 1 МГц до 6 ГГц.

13. Способ по п. 11, отличающийся тем, что определяют частоты точки перегиба кривых изменения интенсивности люминесценции в виде провала, меньшие частоты постоянного радиочастотного электромагнитного поля, модулированного низкой частотой.

14. Способ по п. 11, отличающийся тем, что определяют частоты точки перегиба кривых изменения интенсивности люминесценции в виде провала, большие частоты постоянного радиочастотного электромагнитного поля, модулированного низкой частотой.

15. Способ по п. 11, отличающийся тем, что определяют частоты точек перегиба кривых изменения интенсивности люминесценции в виде провала, меньшие частоты постоянного радиочастотного электромагнитного поля, модулированного низкой частотой, и большие частоты постоянного радиочастотного электромагнитного поля, модулированного низкой частотой.

16. Способ по п. 11 отличающийся тем, что модулирование низкой частотой постоянного радиочастотного электромагнитного поля выполнено в виде модуляции частоты.

17. Способ по п. 11, отличающийся тем, что модулирование низкой частотой постоянного радиочастотного электромагнитного поля выполнено в виде модуляции амплитуды.

18. Способ по п. 11, отличающийся тем, что возбуждение люминесценции спиновых центров с основным квадруплетным спиновым состоянием, сфокусированным лазерным излучением, осуществляют с использованием сканирующего конфокального микроскопа.

19. Способ по п. 11, отличающийся тем, что возбуждение люминесценции спиновых центров с основным квадруплетым спиновым состоянием, сфокусированным лазерным излучением, осуществляют с использованием микроскопии на основе подавления спонтанного испускания.

20. Способ по п. 11, отличающийся тем, что сфокусированным лазерным излучением, перестраиваемым по частоте радиочастотным электромагнитным полем и постоянным радиочастотным электромагнитным полем, модулированным низкой частотой, воздействуют на нанокристалл карбида кремния, содержащего по меньшей мере один спиновый центр с основным квадруплетным спиновым состоянием S=3/2.

Документы, цитированные в отчете о поиске Патент 2019 года RU2695593C1

Н
Kraus, V.A
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, NATURE SCIENTIFIC REPORTS, No 4, 2014 г., стр
Прибор для измерения весовых количеств протекающего газа, пара или жидкости с помощью дифференциального жидкостного манометра 1925
  • К. Борнман
SU5303A1
СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ МАГНИТНОГО ПОЛЯ 2015
  • Бабунц Роман Андреевич
  • Музафарова Марина Викторовна
  • Анисимов Андрей Николаевич
  • Бундакова Анна Павловна
  • Толмачев Данил Олегович
  • Астахов Георгий Владимирович
  • Солтамов Виктор Андреевич
  • Баранов Павел Георгиевич
RU2601734C1
US 2017343695 A1, 30.11.2017
EP 2837930 A1, 18.02.2015.

RU 2 695 593 C1

Авторы

Анисимов Андрей Николаевич

Бабунц Роман Андреевич

Музафарова Марина Викторовна

Бундакова Анна Павловна

Солтамов Виктор Андреевич

Баранов Павел Георгиевич

Даты

2019-07-24Публикация

2018-06-28Подача