ОПТИЧЕСКИЙ ВЕКТОРНЫЙ МАГНИТОМЕТР Российский патент 2024 года по МПК G01R33/12 

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. Датчик, способный обнаружить слабые магнитные поля с субмикронным и нанометровым пространственным разрешением, найдет широкие приложения, вплоть до 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.

Известен оптический магнитометр (см. US 8547090, МПК G01R 33/02, опубл. 01.10.2013), основанный на электронных спинах в твердотельной среде, таких как дефекты в кристаллах и полупроводниках, который использует отдельные электронные спины или электронные спиновые системы. Оптический магнитометр включает генератор радиочастотного (РЧ) излучения, с системой создания импульсных последовательностей РЧ излучения, оптическую систему для сбора и передачи фотонов оптического излучения, активный материал в виде кристалла алмаза, включающего один или несколько азотно-вакансионных центров (NV-центров), имеющих один или несколько электронных спинов, источник оптического излучения, например, лазер и 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 сверхвысокочастотных (СВЧ) импульсов, которые позволяют динамически уменьшить спин-спиновые взаимодействия и взаимодействия с решеткой.

Недостатками известного оптического магнитометра является использование алмазов с NV-центрами в качестве активного материала магнитометра, технология получения которого чрезвычайно дорогостоящая и относительно слабо развита. Кроме того, используют оптический диапазон в видимой области, который плохо совмещается с волоконной оптикой на основе кремния, а также с полосой прозрачности биологических систем. Также необходимо использовать сложные импульсные последовательности РЧ излучения, которое 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.

Известен оптический магнитометр на NV-центрах в алмазе (см. US 8947080, МПК G01R 33/02; G01R 33/00; G01V 3/08, опубл. 03.02.2015), который включает генератор СВЧ излучения, лазер 532 нм, фокусирующую оптическую систему в виде системы линз, зеркал и фильтров, систему регистрации в виде лавинного фотодиода, активный материал в виде кристалла алмаза с высокой плотностью NV-центров для измерения магнитных полей, создаваемых протяженными или удаленными объектами. Измерения магнитного поля производят 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 известного оптического магнитометра является использование алмазов с NV-центрами в качестве активного материала магнитометра, технология получения которого чрезвычайно дорогостоящая и относительно слабо развита. Кроме того, используют оптический диапазон в видимой области, который плохо совмещается с волоконной оптикой на основе кремния, а также с полосой прозрачности биологических систем. Также необходимо использовать РЧ излучение, которое 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.

Известен оптический магнитометр (см. ЕР 3816645, МПК G01R 33/032, G01R 33/26, G01R 33/00, опубл. 05.05.2021), представляющий собой устройство в виде датчика магнитного изображения, сконфигурированного для сбора данных векторной магнитометрии, содержащее: лазер накачки, предназначенный для возбуждения NV-центров в кристалле алмаза; фильтр, выполненный с возможностью фильтрации красного света, вызванного возбуждением, до датчика изображения, тем самым, создавая сигнал фотолюминесценции, при этом фильтр установлен между кристаллом алмаза и датчиком изображения; радиочастотную катушку, выполненную с возможностью подачи радиочастотного излучения на кристалл алмаза; магнит, для расщепления энергетических уровней NV-центров; компьютерная программа для определения локального векторного магнитного поля путем измерения частоты радиочастотного излучения, при которой интенсивность сигнала фотолюминесценции NV-центров изменяется.

Недостатками известного оптического магнитометра-прототипа является использование алмазов с NV-центрами в качестве активного материала магнитометра, технология получения которого чрезвычайно дорогостоящая и относительно слабо развита. Кроме того, используют оптический диапазон в видимой области, который плохо совмещается с волоконной оптикой на основе кремния, а также с полосой прозрачности биологических систем. Также необходимо использовать радиочастотное излучение, которое 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. Для векторной магнитометрии необходимо использовать ансамбль NV-центров, достаточно большой, в котором NV-центры статистически равномерно распределены по четырем кубическим направлениям <111>, поэтому исключается использование как одиночных, так и малых ансамблей NV центров.

Известен оптический магнитометр (см. RU 2607840, МПК G01R 33/12, G01N 24/00, B82Y 35/00, опубл. 20.01.2017), совпадающий с настоящим решением по наибольшему числу существенных признаков и принятый за прототип. Оптический магнитометр-прототип включает генератор низкой частоты (НЧ), конденсатор, по меньшей мере, одну катушку электромагнита, активный материал виде кристалла карбида кремния, помещенного на столик конфокального микроскопа, содержащий, по меньшей мере, один спиновый центр на основе вакансии кремния с основным квадруплетным 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. 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, а первый выход источника постоянного тока соединен с катушкой электромагнита. Основным достоинством магнитометра является отсутствие радиочастотного излучения.

Недостатком известного оптического магнитометра-прототипа является возможность измерения только одной компоненты магнитного поля вдоль направления квазистационарного магнитного поля В₀.

Задачей настоящего изобретения является разработка оптического векторного магнитометра, который бы был более простым и дешевым в изготовлении с отработанной технологией производства устройства, не требовал бы приложения радиочастотного излучения, использовался оптический диапазон совместимый с волоконной оптикой и полосой прозрачности биологических объектов, позволял бы использовать как одиночные спиновые центры, так и малые ансамбли спиновых центров для векторного измерения магнитных полей.

Поставленная задача решается тем, что оптический векторный магнитометр включает генератор низкой частоты, конденсатор, катушку электромагнита, активный материал в виде кристалла карбида кремния, содержащий по меньшей мере один спиновый центр на основе вакансии кремния с основным 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 и объектив, фотоприемник, оптически соединенный с активным материалом через объектив, полупрозрачное зеркало и светофильтр, при этом первый выход генератора низкой частоты соединен с первым входом синхронного детектора, второй вход которого подключен к выходу фотоприемника, выход синхронного детектора соединен с входом блока управления, выход которого подключен к входу источника постоянного тока, а первый выход источника постоянного тока соединен с катушкой электромагнита. Новым является то, что активный материал содержит спиновые центры с основным квадруплетным спиновым состоянием, вокруг активного материала установлены три катушки Гельмгольца с взаимно перпендикулярными осями, соединенные соответственно с вторым, третьим и четвертым выходами источника постоянного тока, а второй выход генератора низкой частоты через конденсатор подключен к катушке Гельмгольца, ось которой совпадает с осью с кристалла.

Активный материал может быть выполнен в виде кристалла карбида кремния гексагонального политипа 4H-SiC, содержащий, по меньшей мере, один спиновый центр на основе вакансии кремния с основным квадруплетным состоянием.

Активный материал может быть выполнен в виде пластины кристалла карбида кремния, при этом плоскость пластины перпендикулярна оси с кристалла.

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 размещен на сканирующем столике микроскопа ближнего поля.

Недавно были обнаружены вакансионные спиновые центры в карбиде кремния (SiC) со свойствами аналогичными NV-центрам в алмазе (спиновые центры с основным квадруплетным спиновым состоянием). Наличие физического эффекта оптического выстраивания спинов таких спиновых центров при облучении кристалла карбида кремния ближним инфракрасным (ИК) светом при комнатной температуре позволяет оптически регистрировать магнитный резонанс в основном состоянии таких спиновых центров при комнатной температуре вплоть до регистрации магнитного резонанса на одиночных спиновых центрах. Оси ансамбля спиновых центров с основным квадруплетным спиновым 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 и, поэтому, используя ОДМР, в одном эксперименте может быть проведено измерение только на одном из четырех активных спиновых центров, тогда как в карбиде кремния все спиновые центры с основным квадруплетным спиновым состоянием уже самой природой выстроены вдоль одной кристаллографической оси с. Спиновый центр с основным квадруплетным спиновым состоянием представляет собой отрицательно-заряженную вакансию кремния (V_Si^-) со спином S=3/2, взаимодействующую с нейтральной вакансией углерода (V_C⁰), 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) осуществляется выстраивание населенностей спинов спиновых центров с основным квадруплетным спиновым состоянием, при этом создается неравновесное заполнение спиновых уровней. Изменение заполнения спиновых уровней путем облучения кристалла РЧ излучением с частотой магнитного резонанса приводит к изменению интенсивности люминесценции спиновых центров с основным квадруплетным спиновым состоянием в момент магнитного резонанса.

В магнитометре с основным квадруплетным спиновым состоянием не требуется генератор РЧ излучения и система подачи РЧ излучения на активный материал в виде витка или катушки, отсутствует блок модуляции мощности РЧ генератора и система детектирования люминесценции на частоте модуляции РЧ. Замена лазера видимого света на лазер ближнего инфракрасного (ИК) света и систему детектирования ближнего ИК света, позволяет их совместить с волоконной оптикой и попасть в полосу прозрачности биологических объектов.

Настоящее техническое решение поясняется чертежами, где:

на фиг. 1 приведена блок схема оптического векторного магнитометра на основе карбида кремния гексагонального политипа 4H-SiC, содержащего спиновые центры с основным квадруплетным спиновым состоянием;

на фиг. 2 показан датчик оптического векторного магнитометра на основе активного материала в виде пластины кристалла карбида кремния гексагонального политипа 4H-SiC, плоскость упомянутой пластины перпендикулярна оси с кристалла, содержащего спиновые центры с основным квадруплетным спиновым состоянием, ориентация которых совпадает с осью с кристалла;

на фиг. 3 приведена реперная зависимость относительного изменения интенсивности фотолюминесценции, ДФЛ/ФЛ, спиновых центров с основным квадруплетным спиновым состоянием S=3/2 в кристалле карбида кремния политипа 4H-SiC от величины квазистационарного магнитного поля В₀ при нулевом внешнем магнитном поле, зарегистрированные при комнатной температуре 300 К в ориентации квазистационарного магнитного поля В₀ и низкочастотного (НЧ) модуляционного магнитного поля В_Мод вдоль оси с кристалла;

на фиг. 4 демонстрируется применение оптического векторного магнитометра для измерения вектора внешнего магнитного поля, основанного на обнулении измеряемого магнитного поля Визм, путем приложения компенсационного магнитного поля В_Комп, создаваемого системой катушек Гельмгольца (3, 4, 5, Фиг. 2) с откалиброванными токами для получения фиксированных магнитных полей.

Оптический векторный магнитометр (см. фиг. 1, фиг. 2) содержит активный материал 1 в настоящем исполнении в виде пластины кристалла карбида кремния гексагонального политипа 4H-SiC, плоскость пластины активного материала 1 перпендикулярна оси с кристалла. Активный материал 1 содержит спиновые центры с основным квадруплетным спиновым состоянием, ориентация которых совпадает с осью с кристалла. Активный материал 1 помещен в электромагнит 2, осуществляющий развертку квазистационарного магнитного поля В₀ вдоль оси с пластины активного материала 1, принятой за ось Z, и окружет системой из катушек 3, 4 и 5 Гельмгольца для направлений соответственно X, Y и Z, предназначенных для создания дополнительного векторного магнитного поля вдоль этих направлений с целью компенсации измеряемого векторного магнитного поля. Катушка 5 предназначена также для создания низкочастотного модуляционного магнитного поля вдоль оси Z, совпадающей с направлением квазистационарного магнитного поля В₀. Оптический магнитометр также содержит объектив 6, лазер (Л) 7, излучающий в ближней инфракрасной области, инфракрасный пропускающий фильтр 8, собирающую линзу 9, диафрагму (пинхол) 10, фотоприемник (ФП) 11, выполненный, например, в виде ФЭУ, фотодиода, лавинного фотодиода; генератор низкой частоты (ГНЧ) 12 с выходным конденсатором, синхронный детектор (СД) 13, блок управления (БУ) 14, источник (ИПТ) 15 постоянного тока. Оптический магнитометр может включать также сканирующий столик 16 конфокального микроскопа с пьезоэлементом 17, способный осуществлять возвратно-поступательное перемещение в трех взаимно перпендикулярных направлениях под действием управляющих напряжений пьезоэлемента 17, на котором расположен активный материал 1. Лазер 7 оптически соединен через инфракрасный пропускающий фильтр 8 и объектив 6 с активным материалом 1, который через объектив 6, инфракрасный пропускающий фильтр 8, собирающую линзу 9 и диафрагму (пинхол) 10 оптически соединен с ФП 11. Выход ГНЧ 12 через выходной конденсатор подключен к электромагниту 5 и соединен с первым входом СД 13, второй вход которого соединен с выходом ФП 11. Выход БУ14 соединен с входом ИПТ15, первый выход ИПТ15 подключен к электромагниту 2, второй выход ИПТ 15 подключен к электромагниту 3, третий выход ИПТ 15 подключен к электромагниту 4, четвертый выход ИПТ подключен к электромагниту 5; выход СД 13 соединен с входом БУ 14.

Наряду со схемой, выполненной на базе конфокального микроскопа, позволяющей 2D или 3D сканирование малого оптически возбуждаемого объема (вплоть до 0.2 мкм), возможно также применение технологии STED (stimulated emission depletion microscopy), где оптически возбуждаемый и излучаемый объем может быть ограничен вплоть до нескольких нм.

Активный материал 1 (фиг. 1 и фиг. 2) выполнен в виде пластины кристалла карбида кремния гексагонального политипа 4H-SiC, плоскость упомянутой пластины перпендикулярна оси с кристалла, содержащего спиновые центры с основным квадруплетным спиновым состоянием, ориентация которых совпадает с осью с кристалла, помещенный в электромагнит 2, осуществляющий развертку квазистационарного магнитного поля В₀ вдоль оси с пластины, принятой за ось Z; системой из катушек 3, 4 и 5 Гельмгольца соответственно X, Y и Z, предназначенных для создания дополнительного векторного магнитного поля вдоль этих направлений с целью компенсации измеряемого векторного магнитного поля; катушка 5 предназначена также для создания низкочастотного модуляционного магнитного поля вдоль оси Z, совпадающей с направлением квазистационарного магнитного поля В₀. Активный материал 1 размещается на столике 16 конфокального микроскопа.

На фиг. 3 приведена зависимость относительного изменения интенсивности фотолюминесценции, ΔФЛ/ФЛ, спиновых центров с основным квадруплетным спиновым состоянием S=3/2 в кристалле карбида кремния гексагонального политипа 4H-SiC от величины квазистационарного магнитного поля В₀, при нулевом внешнем магнитном поле, зарегистрированные на низкой частоте модуляции магнитного поля, направленного вдоль квазистационарного магнитного поля В₀, при комнатной температуре 300 К в ориентации квазистационарного магнитного поля В₀ параллельной оси с кристалла, и, следовательно, аксиальной оси симметрии спиновых центров, которые являются реперными зависимостями, и их вид составляет основу для векторной магнитометрии. Метками от (18) до (24) обозначены линии антипересечения уровней (АПУ) в виде производной, зарегистрированные с использованием синхронного детектора 13 на частоте низкочастотной модуляции магнитного поля, совпадающего по направлению с квазистационарным магнитным полем В₀, фиксирующие изменения интенсивности ФЛ. Метки (20) и (23) указывают две точки антипересечения энергетических уровней для системы, у которой отсутствует сверхтонкое взаимодействие с ядром Si-29, то есть все ядра кремния во второй координационной сфере относительно вакансии кремния, входящей в структуру спинового центра, имеют нулевые ядерные магнитные моменты. Остальные метки фиксируют точки антипересечения энергетических уровней, обусловленных сверхтонким взаимодействием с одним ядром Si-29, находящимся во второй координационной сфере относительно вакансии кремния, входящей в структуру квадруплетного спинового центра.

Настоящий оптический векторный магнитометр работает следующим образом.

На датчик магнитометра, выполненный на основе активного материала 1 в виде пластины кристалла 4H-SiC, содержащего спиновые центры с основным квадруплетным спиновым состоянием, плоскость пластины перпендикулярна оси с кристалла, фокусируют лазерный луч, возбуждающий ФЛ спиновых центров в ближнем инфракрасном (ИК) диапазоне. Активный материал 1 помещен в электромагнит 2, осуществляющий развертку квазистационарного магнитного поля В₀ вдоль оси с пластины, принятой за ось Z; системой из трех катушек 3, 4 и 5 Гельмгольца для направлений соответственно X, Y и Z, предназначенных для создания дополнительного векторного магнитного поля вдоль этих направлений с целью компенсации (обнуления) измеряемого векторного магнитного поля и достижения реперной зависимости изменения интенсивности фотолюминесценции ΔФЛ/ФЛ, которая измеряется один раз и является неизменной для спиновых центров с квадруплетным основным состоянием в кристалле 4H-SiC. Реперная зависимость представляет собой изменения интенсивности фотолюминесценции, ΔФЛ/ФЛ, от величины квазистационарного магнитного поля В₀ при нулевом внешнем магнитном поле, зарегистрированная при комнатной температуре в ориентации квазистационарного магнитного поля В₀ и низкочастотного (НЧ) модуляционного магнитного поля В_Мод вдоль оси с кристалла. Низкочастотное модуляционное магнитное поле создается в катушке Гельмгольца 5 для направления Z, совпадающего с направлением квазистационарного магнитного поля В₀ током, поступающем от генератора низкой частоты ГНЧ 12 через выходной конденсатор. Синхронный детектор 13 регистрирует сигнал, поступающий с ФП 11 на низкой частоте модуляции магнитного поля. Выходной сигнал с блока управления БУ 14 поступает на источник постоянного тока ИПТ 15. Оптический магнитометр может включать также сканирующий столик 16 конфокального микроскопа с пьезоэлементом 17, способный осуществлять возвратно-поступательное перемещение в трех взаимно перпендикулярных направлениях под действием управляющих напряжений пьезоэлемента 17, на котором расположен активный материал 1.

Для измерения внешнего магнитного поля необходимо последовательно компенсировать все три компоненты B_z, В_х и B_y внешнего магнитного поля путем сравнения с реперной зависимостью в области, возбуждаемой сфокусированным лазерным излучением. Первый этап компенсации внешнего магнитного поля осуществляется путем приложения компенсационного магнитного поля, обнуляющего параллельную компоненту B_z внешнего магнитного поля, то есть величина компенсирующего поля вдоль оси Z изменяется до тех пор, пока точки позиции первого антикроссинга (метка 20 на фиг. 3) искаженного спектра и реперного спектра не совпадут.

Второй этап компенсации внешнего магнитного поля заключается во введении компенсирующего магнитного поля в перпендикулярной плоскости XY, которое изменяет форму спектра АПУ без изменения положения позиции первого антикроссинга (метка 20 на фиг. 3) в квазистационарном магнитном поле, которое было установлено компенсирующей компонентой магнитного поля вдоль оси z. Таким образом, изменяя величину тока, подаваемого на катушки Гельмгольца в плоскости XY, можно добиться полной компенсации внешнего (измеряемого) магнитного поля, то есть совпадения полуширины линии, центр которой обозначен меткой 23 на фиг. 3 с реперным спектром.

Полная компенсация наступает, когда спектр АПУ, искаженный внешним магнитным полем, в результате введения компенсационных полей полностью совпадает по форме и положению с реперным спектром АПУ, зарегистрированным в нулевом внешнем магнитном поле.

Пример. Применение оптического векторного магнитометра для измерения вектора внешнего магнитного поля, основанного на обнулении измеряемого магнитного поля, В_Изм, мТл, путем приложения компенсационного магнитного поля, В_Комп, мТл, создаваемого системой катушек 3, 4 и 5 Гельмгольца с откалиброванными токами для получения фиксированных магнитных полей, приведено на фиг. 4. Меткой 25 обозначена зависимость ΔФЛ/ФЛ спиновых центров с основным квадруплетным спиновым состоянием S=3/2 в кристалле карбида кремния гексагонального политипа 4H-SiC от величины квазистационарного магнитного поля В₀, и модуляционного магнитного поля В_Мод, направленных вдоль оси с при приложении произвольного внешнего магнитного поля, зарегистрированные при комнатной температуре 300 К. Путем применения компенсационного поля Вкомп измеряемое магнитное поле обнуляется и зависимость ΔФЛ/ФЛ превращается в реперную зависимость 26, практически полностью совпадающую с реперной зависимостью, представленной на фиг.3, которая была зарегистрирована для нулевого внешнего магнитного поля. На вставке условно представлен принцип компенсации внешнего измеряемого магнитного поля В_Изм (черные стрелки) путем приложения компенсационного магнитного поля В_Комп, (серые стрелки) с помощью катушек Гелмгольца. Модуль и направление компенсирующего поля в виде полярного, θ, и азимутального, ϕ, углов вычисляются по формулам:

|B|=√(B_X²+B_Y²+B_Z²); мТл; θ=arctg{√[(B_X²+B_Y²)/B_Z]}; ϕ=arctg(B_X/B_Y); градусы: B_Z=0.131, B_X=0.174, B_Y=0.200, |B|=0.296, мТл; θ=63.7; ϕ=49.0, градусы.

Чувствительность нахождения углов θ и ϕ определяется чувствительностью к определению перпендикулярной компоненты магнитного поля, которая составляет ~0.01 мТл/√Гц.

Эксперименты проводились при комнатной температуре с помощью конфокального микроскопа, площадь пятна оптического возбуждения составляла ~1 мкм², частота модуляции магнитного поля f_Мод=331 Гц, амплитуда модуляции 0.01 мТл, модуляционное магнитное поле было направлено вдоль квазистационарного магнитного поля В₀, то есть перпендикулярно плоскости пластины карбида кремния, нормаль к которой совпадает с осью с.

Этот метод может быть использован для обнаружения переменных полей с частотой, приближающихся к максимальной скорости оптически индуцированной спиновой поляризации. Следует отметить, что при детектировании сигнала магнитного отклика с помощью антипересечения спиновых уровней снимается временное ограничение для обычного оптически детектируемого резонанса (ОДМР), то есть когда амплитуда В1 переменной магнитной компоненты микроволнового поля должна быть достаточно велика, чтобы перевернуть спин в короткий промежуток времени, соответствующий времени жизни в возбужденном состоянии. Для активных спиновых центров в карбиде кремния эта величина составляет примерно 10 нс, при этом необходимые микроволновые магнитные поля В1 должны составлять десятки Гс, что достижимо только в условиях импульсных методов.

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

В оптическом векторном магнетометре вместо схемы, выполненной на базе конфокального микроскопа, для возбуждения фотолюминесценции может быть применена схема микроскопа ближнего поля, которая уменьшит объем возбуждаемых спиновых центров более, чем на порядок.

В оптическом векторном магнетометре вместо схемы, выполненной на базе конфокального микроскопа, может быть применена технология STED (stimulated emission depletion microscopy), где оптически возбуждаемый и излучаемый объем может быть уменьшен на несколько порядков.

В оптическом векторном магнетометре вместо датчика на основе политипа 4H-SiC, может использоваться датчик, выполненный на основе других гексагональных и ромбических политипов карбида кремния, содержащих спиновые центры с квадруплетным основным состоянием. При этом для каждого типа спиновых центров должна быть зарегистрирована реперная зависимость относительного изменения интенсивности фотолюминесценции, ΔФЛ/ФЛ, спиновых центров с основным квадруплетным спиновым состоянием S=3/2 от величины квазистационарного магнитного поля В₀, при нулевом внешнем магнитном поле, зарегистрированные на низкой частоте модуляции магнитного поля, направленного вдоль квазистационарного магнитного поля В₀, при комнатной температуре 300 К в ориентации квазистационарного магнитного поля В₀ параллельной оси с кристалла.

Изобретение относится к области измерения слабых магнитных полей. Оптический векторный магнитометр содержит генератор низкой частоты, конденсатор, катушку электромагнита, активный материал в виде кристалла карбида кремния, содержащий по меньшей мере один спиновый центр на основе вакансии кремния с основным 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 и объектив, фотоприемник, при этом активный материал содержит спиновые центры с основным квадруплетным спиновым состоянием, вокруг активного материала установлены три катушки Гельмгольца с взаимно перпендикулярными осями, соединенные соответственно с вторым, третьим и четвертым выходами источниками постоянного тока, а второй выход генератора низкой частоты через конденсатор подключен к катушке Гельмгольца, ось которой совпадает с осью С кристалла. Технический результат - обнаружение слабых магнитных полей с высоким пространственным разрешением. 4 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Оптический векторный магнитометр, включающий генератор низкой частоты, конденсатор, катушку электромагнита, активный материал в виде кристалла карбида кремния, содержащий по меньшей мере один спиновый центр на основе вакансии кремния с основным 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 и объектив, фотоприемник, оптически соединенный с активным материалом через объектив, полупрозрачное зеркало и светофильтр, при этом первый выход генератора низкой частоты соединен с первым входом синхронного детектора, второй вход которого подключен к выходу фотоприемника, выход синхронного детектора соединен с входом блока управления, выход которого подключен к входу источника постоянного тока, а первый выход источника постоянного тока соединен с катушкой электромагнита, отличающийся тем, что активный материал содержит спиновые центры с основным квадруплетным спиновым состоянием, вокруг активного материала установлены три катушки Гельмгольца с взаимно перпендикулярными осями, соединенные соответственно с вторым, третьим и четвертым выходами источника постоянного тока, а второй выход генератора низкой частоты через конденсатор подключен к катушке Гельмгольца, ось которой совпадает с осью С кристалла.

2. Магнитометр по п. 1, отличающийся тем, что активный материал выполнен в виде кристалла карбида кремния гексагонального политипа 4H-SiC.

3. Магнитометр по п. 1, отличающийся тем, что активный материал выполнен в виде пластины кристалла карбида кремния, при этом плоскость пластины перпендикулярна оси С кристалла.

4. 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.

5. Магнитометр по п. 1, отличающийся тем, что активный материал размещен на сканирующем столике микроскопа ближнего поля.