Квантовый магнитометр на основе NV-центров в алмазе Российский патент 2024 года по МПК G01R33/32 

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).

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.

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.