Квантовый магнитометр на основе алмазного лазера Российский патент 2024 года по МПК G01V3/14 

Изобретение относится к области квантовой сенсорики и может быть использовано в квантовых информационных технологиях для измерения величины и направления индукции внешнего магнитного поля. Применение изобретения перспективно в системах навигации и биомедицинских исследованиях.

Известны аналогичные квантовые магнитометры, использующие спиновые подуровни в NV-центрах окраски алмаза (NV-центрах в отрицательном зарядовом состоянии), и метод оптического детектирования магнитных резонансов.

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 ограничением указанных магнитометров является необходимость в высокой концентрации свободных атомов замещающего азота в алмазном образце, т.е. атомов азота не связанных в примесно-дефектные комплексы типа NV-центров. Высокая концентрация замещающего азота необходима для того, чтобы NV-центры захватывали пятые валентные электроны от атомов замещающего азота, т.е. чтобы NV-центры находились в отрицательном зарядовом состоянии (NV-), что обеспечивает расщепление электронных состояний на спиновые подуровни 0, ±1 и возможность наблюдения оптически детектируемых магнитных резонансов. При этом наличие высокой концентрации атомов замещающего азот вызывает снижение времени когерентности NV-центров и, как следствие, снижение чувствительности квантового магнитометра, а также необходимость охлаждения до криогенных температур.

Из уровня техники известны теоретические исследования, предлагающие новый тип сенсора, в котором в качестве лазерной среды используется алмаз, содержащий оптически активные азотвакансионные (NV-) центры [Jeske J., Cole J.H., Greentree A.D. Laser threshold magnetometry // New J. Phys. 18 (2016) 013015 doi:10.1088/1367-2630/18/1/013015]. Однако ранее не удавалось реализовать данные предложения на практике.

Технический результат заключается в создании квантового магнитометра на основе алмазного NV лазера, работающего на основе принципа лазерной пороговой магнитометрии и предназначенного для измерения величины и направления индукции внешнего магнитного поля.

Технический результат достигается тем, что предложен квантовый магнитометр на основе алмазного лазера, содержащий твердотельный активный элемент в виде алмазного NV-лазера, показатель усиления активной среды зависит от величины и направления вектора индукции внешнего магнитного поля, и источник оптической накачки в диапазоне фононного крыла поглощения NV- центров.

Сущность изобретения поясняется следующими чертежами:

Фиг. 1 Спектр излучения алмазного NV-лазера при включенном и выключенном внешнем магнитном поле.

Фиг. 2 Структура NV-центра.

Сущность изобретения заключается в использовании в квантовых магнитометрах алмазных NV лазеров, содержащих NV-центры окраски, выход люминесценции которых, зависит от величины проекции вектора индукции магнитного поля на ось NV центра (Фиг. 2). В эксперименте был применен фотовозбуждаемый алмазный NV-лазер (патент RU 2779410), который содержит источник оптической накачки и лазерно-активный элемент в виде алмазного образца с высокой концентрацией замещающего азота и с меньшей на 1-2 порядка концентрацией NV-центров, который имеет металлизацию на одной или двух противоположных плоскопараллельных гранях, расположенных либо под прямым углом, либо под углом Брюстера, либо под другим углом к оптической оси лазерно-активного элемента, отличающийся усилением или генерацией лазерного излучения в спектральном интервале фононного крыла люминесценции NV-центров в отрицательном зарядовом состоянии.

При помещении алмазного NV-лазера в магнитное поле за счет спиновых эффектов происходит уменьшение показателя усиления активной среды в зависимости от величины и направления вектора индукции внешнего магнитного поля, что отражается на интенсивности или энергии излучения алмазного NV-лазера (Фиг. 1). При этом для работы квантового магнитометра не требуется охлаждение алмазного кристалла до криогенных температур, т.к. в алмазный лазер работает на коллективном эффекте вынужденного излучения NV-центров окраски.

Для измерения величины магнитного поля используется измерение интенсивности или энергии лазерного излучения алмазного NV-лазера 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 при котором возникает уменьшение показателя усиления активной среды алмазного лазера, либо срыв генерации.

Список использованных источников:

1. US 8947080, МПК G01R 33/02, G01R 33/00, G01V 3/08, 03.02.2015.

2. RU 2654967, МПК G01R 33/02, 02.05.2017.

3. RU 2694798, МПК G01R 33/02, 24.04.2018.

4. RU 2776466, МПК G01R 33/02, 01.11.2021.

5. RU 2779410, МПК H01S 3/06, H01S 3/16, 08.09.2021.

Изобретение относится к области квантовой сенсорики и может быть использовано в квантовых информационных технологиях для измерения величины и направления индукции внешнего магнитного поля. Квантовый магнитометр на основе алмазного лазера содержит твердотельный активный элемент в виде алмазного NV-лазера с лазерно-активным элементом в виде алмазного образца с высокой концентрацией замещающего азота и с меньшей на 1-2 порядка концентрацией NV-центров, с изменяющейся интенсивностью лазерного излучения в зависимости от характеристик внешнего магнитного поля, источник оптической накачки в диапазоне фононного крыла поглощения NV-центров и электромагниты. Технический результат - создание квантового магнитометра на основе алмазного NV-лазера, работающего на основе принципа лазерной пороговой магнитометрии. 2 ил.

Квантовый магнитометр на основе алмазного лазера содержит твердотельный активный элемент в виде алмазного NV-лазера с лазерно-активным элементом в виде алмазного образца с высокой концентрацией замещающего азота и с меньшей на 1-2 порядка концентрацией NV-центров, с изменяющейся интенсивностью лазерного излучения в зависимости от характеристик внешнего магнитного поля, источник оптической накачки в диапазоне фононного крыла поглощения NV-центров и электромагниты.