Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ МАГНИТНОГО ПОЛЯ

Изобретение относится к нанотехнологиям и может быть использовано в области измерения локальных слабых магнитных полей в 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 важнейшей проблемой в различных областях, начиная от фундаментальной физики и материаловедения до хранения данных и биомедицинской науки. Например, на расстоянии 10 нм спин одного электрона создает магнитное поле около 1 мТл, и соответствующее поле из одного протона создает 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 с использованием взаимодействия резонансного света с атомными парами (см. D. Budker and М.V. Romalis. - Optical Magnetometry. - Nature Physics, V. 3, p. 227-234, 2007) и без криогенной техники. Известный способ включает наполнение парами щелочного металла измерительной ячейки, 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, регистрацию изменения в оптическом пропускании ячейки в момент магнитного резонанса в измеряемом магнитном поле, измерение частоты магнитного резонанса и определение величины магнитного поля по частоте магнитного резонанса в соответствии с зеемановским сдвигом спиновых уровней в измеряемом магнитном поле.

Известный способ измерения магнитного поля, основанный на спиновых свойствах паров щелочных элементов, позволяет измерять магнитные поля с чрезвычайно высокой чувствительностью. Однако для эффективного взаимодействия с резонансным светом он требует использования сравнительно больших объемов атомных паров (измерительной ячейки с атомными парами), которые определяются ограничениями, обусловленными столкновениями активных атомов и потерей когерентности при таких столкновениях. Эти размеры не могут быть меньше миллиметровых значений. Поэтому известный способ не может обеспечить измерение распределения магнитных полей с микронным и тем более субмикронным разрешением.

После открытия излучающих свойств азотно-вакансионных центров (NV центров) в алмазе, позволяющих оптически регистрировать магнитный резонанс в основном состоянии этих центров при комнатной температуре вплоть до регистрации магнитного резонанса на одиночных центрах (см. A. Gruber, А. Drabenstedt, С. Tietz, L. Fleury, J. Wrachtrup, С. Von Borczyskowski. - Scanning Confocal Optical Microscopy and Magnetic Resonance on Single Defect Centers. - Science, V. 276, pp. 2012-2014, 1997; J. Wrachtrup, F. Jelezko. - Processing quantum information in diamond. - Journ. Phys.: Condens. Matter, V. 18, S807, 2006), появилась возможность создания квантовых сенсоров для измерения магнитных полей с наноразмерным разрешением. Отдельный NV центр представляет собой вакансию углерода (V) в ближайшей координационной сфере, в которой один из четырех атомов углерода заменен атомом азота (N). NV центры характеризуются основным триплетным спиновым состоянием (S=1), в котором оптически создается неравновесное заполнение спиновых уровней. При этом изменение заполнения спиновых уровней под действием резонансного СВЧ излучения, с которым взаимодействует спиновая система NV центров, регистрируется оптически по изменению люминесценции NV центров. Способ магнитометрии с спиновыми NV центрами основан на оптическом детектировании магнитного резонанса (ОДМР) во внешнем магнитном поле, которое необходимо измерить.

Известен способ измерения магнитного поля с использованием NV центров в алмазе при комнатной температуре (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 следующую последовательность операций: излучение лазера фокусируют на активный материал - кристалл алмаза с NV центрами, в точке измерения магнитного поля и воздействуют на активный материал внешним постоянным магнитным полем; подают СВЧ излучение с энергией, близкой к величине расщепления тонкой структуры для NV центров (2,8 ГГц), которое взаимодействует со спиновой системой NV центров; регистрируют фотолюминесценцию NV центров; изменяют частоту СВЧ излучения и измеряют частоты, при которых наблюдается изменение интенсивности люминесценции NV центров, обусловленное магнитным резонансом на спиновых уровнях NV центров; измеряют частоту магнитного резонанса и определяют величину магнитного поля по частоте магнитного резонанса в соответствии с зеемановским сдвигом спиновых уровней в измеряемом магнитном поле.

Недостатком известного способа 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, используется оптический диапазон в видимой области, 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), которое существенно меньше, чем для большего спина, например, квадруплетного состояния (S=3/2). Расщепление тонкой структуры для NV центров в алмазе существенно зависит от температуры и напряжений в кристалле алмаза, что понижает точность измерений магнитного поля и требует дополнительных усилий для исключения температурных эффектов. Также необходимо использовать СВЧ излучение, которое усложняет конструкцию, создает дополнительные шумы, а также приводит к нагреванию объекта исследования.

Известен способ измерения магнитного поля (см. заявка US 20100315079, МПК G01N 24/10, G01R 33/00, опубликована 16.12.2010), включающий воздействие на кристалл алмаза, содержащего спиновые центры в виде NV центров, оптическим излучением для выстраивания электронных спинов в магнитном поле; подачу импульсов сверхвысокочастотного (СВЧ) излучения к системе электронных спинов таким образом, чтобы вызвать прецессию электронных спинов вокруг направления магнитного поля, которая должна быть зарегистрирована, измерение частоты этой прецессии, которая линейно зависит от магнитного поля вследствие сдвига спиновых уровней благодаря эффекту Зеемана; и регистрацию выходного оптического излучения (фотолюминесценции) из системы электронных спинов в алмазе после того, как система электронных спинов в твердом теле подверглась возбуждению оптическим и СВЧ излучением, определение зеемановского сдвига и, таким образом, определение измеряемого магнитного поля из выходного излучения.

Недостатком этого способа 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, 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 (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 СВЧ излучением или импульсами СВЧ излучения 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 выходного оптического излучения, выходящего из алмаза, содержащего NV центры, таким образом, чтобы определить зеемановский сдвиг и, следовательно, магнитное поле.

Известному способу измерения магнитного поля присущи те же недостатки, что были рассмотрены выше.

Недавно были обнаружены вакансионные спиновые центры в карбиде кремния (SiC) со свойствами, аналогичными NV центрам в алмазе, будем в дальнейшем также называть эти центры спиновыми центрами с основным квадруплетным спиновым состоянием (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, Scientific Reports, 2014), и предложен способ измерения магнитного поля, совпадающий с настоящим решением по наибольшему числу существенных признаков и принятый за прототип. Способ-прототип основан на оптическом детектировании магнитного резонанса (ОДМР) на спиновых центрах с основным квадруплетным спиновым состоянием в карбиде кремния во внешнем магнитном поле, которое необходимо измерить. 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_C ⁰), 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 (780-850 нм) происходит выстраивание спинов таких спиновых центров, при этом создается неравновесное заполнение спиновых уровней. Изменение заполнения спиновых уровней при облучении кристалла высокочастотным (ВЧ) излучением с частотой магнитного резонанса приводит к изменению интенсивности люминесценции спиновых центров с основным квадруплетным спиновым состоянием в момент магнитного резонанса. Способ-прототип включает воздействие на кристалл карбида кремния гексагонального или ромбического политипа, содержащего спиновые центры с основным квадруплетным спиновым состоянием S=3/2, вдоль его кристаллографической оси с симметрии ВЧ излучением с энергией, близкой к величине расщепления тонкой структуры для спиновых центров с основным квадруплетным спиновым состоянием (20-150 МГц), магнитным полем исследуемого образца и сфокусированным лазерным излучением (с длиной волны 780-850 нм), при этом измеряют интенсивность люминесценции спиновых центров с основным квадруплетным спиновым состоянием при различной частоте ВЧ излучения, измеряют частоты ВЧ излучения в области изменения интенсивности люминесценции, обусловленного магнитным резонансом на спиновых уровнях спиновых центров с основным квадруплетным спиновым состоянием; измеряют частоту магнитного резонанса и определяют величину магнитного поля исследуемого образца по частоте магнитного резонанса в соответствии с зеемановским сдвигом спиновых уровней в измеряемом магнитном поле.

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

Н=g_eβ_eB.S_z+D[S_z ²-1/3S(S+1)], Дж,

где В - постоянное магнитное поле, Тл;

Sz - безразмерный оператор проекции электронного спина на направление внешнего магнитного поля;

g_e=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;

β_е=9,2740·10^-24 - магнетон Бора, Дж/Тл;

D - расщепление тонкой структуры для спинового центра с основным квадрупольным спиновым состоянием в карбиде кремния, Дж (МГц), 1 Дж=1,509·10²⁷ МГц; D=14 - в карбиде кремния политипа 6H-SiC, МГц; D=35 - в карбиде кремния политипа 4H-SiC, МГц.

Способ-прототип основан на измерении частотных отклонений, зависящих от расщепления зеемановских уровней для основного квадруплетного спинового состояния S=3/2 спиновых центров в карбиде кремния. Расщепление тонкой структуры для спиновых центров с основным квадруплетным спиновым состоянием в карбиде кремния, в отличие от NV центров в алмазе, практически не зависит от температуры и напряжений в кристалле карбида кремния, что повышает точность измерений магнитного поля и не требует дополнительных усилий для исключения температурных эффектов. Оси ансамбля спиновых центров с основным квадруплетным спиновым состоянием в карбиде кремния ориентированы вдоль гексагональной кристаллографической оси (с-оси), 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 центров, тогда как в карбиде кремния все центры с основным квадруплетным спиновым состоянием уже самой природой выстроены вдоль одной оси.

Недостатком известного способа измерения магнитного поля является необходимость использования ВЧ излучения, что усложняет осуществление способа, а также создает дополнительные шумы и нагревает исследуемый объект, который помещается вплотную к кристаллу карбида кремния с спиновыми центрами с основным квадруплетным спиновым состоянием и в котором измеряется магнитное поле. Также необходимо использование дополнительного оборудования для создания ВЧ излучения и необходимость подвода ВЧ излучения в точку измерения магнитного поля с помощью петли или катушки.

Задачей настоящего изобретения являлась разработка такого способа измерения магнитного поля, который бы был более прост в использовании и в котором исключалось бы использование ВЧ излучения и, следовательно, исключался бы нагрев объекта, магнитное поле которого измеряют.

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, вдоль его кристаллографической оси с симметрии сфокусированным лазерным излучением, переменным магнитным полем низкой частоты, постоянным магнитным полем. При этом измеряют интенсивность люминесценции спиновых центров с основным квадруплетным спиновым состоянием при различной величине постоянного магнитного поля. В области изменения интенсивности люминесценции снимают первую кривую зависимости изменения интенсивности люминесценции от величины постоянного магнитного поля, градуируют первую кривую по известному значению величины магнитного поля в точке перегиба первой кривой. Затем помещают на поверхность упомянутого выше кристалла карбида кремния исследуемый образец и измеряют интенсивность люминесценции спиновых центров с основным квадруплетным спиновым состоянием при различной величине постоянного магнитного поля. В области изменения интенсивности люминесценции снимают вторую кривую зависимости изменения интенсивности люминесценции от величины постоянного магнитного поля. Величину магнитного поля, создаваемого исследуемым образцом в точке фокуса лазерного излучения, определяют по величине горизонтального сдвига второй кривой относительно первой кривой.

Новым в настоящем способе является воздействие на кристалл карбида кремния гексагонального или ромбического политипа, содержащего спиновые центры с основным квадруплетным спиновым состоянием, переменным магнитным полем низкой частоты и постоянным магнитным полем, а также то, что снимают первую кривую зависимости изменения интенсивности люминесценции от величины постоянного магнитного поля, градуируют первую кривую по известному значению величины магнитного поля в точке перегиба первой кривой, затем помещают на поверхность упомянутого выше кристалла карбида кремния исследуемый образец, снимают вторую кривую зависимости изменения интенсивности люминесценции от величины постоянного магнитного поля и величину магнитного поля, создаваемого исследуемым образцом в точке фокуса лазерного излучения, определяют по величине горизонтального сдвига второй кривой относительно первой кривой.

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, переменным магнитным полем низкой частоты и постоянным магнитным полем можно воздействовать на нанокристалл карбида кремния, содержащего по меньшей мере один спиновый центр с основным квадруплетным спиновым состоянием.

Настоящий способ измерения магнитного поля с микронным и субмикронным разрешением основан на использовании физических процессов, приводящих к изменению интенсивности фотолюминесценции спиновых центров с основным квадруплетным спиновым состоянием, что проявляется в существовании точки перегиба на кривой зависимости изменения интенсивности люминесценции спиновых центров с основным квадруплетным спиновым состоянием от величины постоянного магнитного поля. Эта точка перегиба соответствует моменту антипересечения энергетических спиновых уровней этих спиновых центров в кристалле карбида кремния.

Настоящее техническое решение поясняется чертежами, где:

на фиг. 1 показана структурная формула спинового центра с основным квадруплетным спиновым состоянием S=3/2 (V_s - вакансия кремния; V_c - вакансия углерода);

на фиг. 2 приведена схема энергетических спиновых уровней в магнитном поле спинового центра с основным квадруплетным спиновым состоянием S=3/2;

- точка антипересечения энергетических спиновых уровней; Ms - спиновые проекции S=3/2: M_S=+3/2; M_S=-3/2; M_S=+1/2; M_S=-1/2;

на фиг. 3 приведены первая (1) и вторая (2) кривые зависимости изменения интенсивности люминесценции спиновых центров с основным квадруплетным спиновым состоянием в кристалле карбида кремния политипа 6H-SiC от величины постоянного магнитного поля; ΔB₁ - величина магнитного поля, создаваемого исследуемым образцом в виде фрагмента магнитной пленки;

на фиг. 4 изображены первая (3) и вторая (4) кривые зависимости изменения интенсивности люминесценции спиновых центров с основным квадруплетным спиновым состоянием в кристалле карбида кремния политипа 4H-SiC от величины постоянного магнитного поля; ΔВ₂ - величина магнитного поля, создаваемого исследуемым образцом в виде фрагмента магнитной пленки.

Настоящий способ измерения магнитного поля включает воздействие на кристалл карбида кремния гексагонального или ромбического политипа, содержащего спиновые центры с основным квадруплетным спиновым состоянием (фиг. 1), вдоль его кристаллографической оси с симметрии сфокусированным лазерным излучением (например, длиной волны 785 нм), переменным магнитным полем низкой частоты (в интервале частот от десятков Гц до единиц кГц) амплитудой, например, (0,001-0,01) мТл и постоянным магнитным полем. Измеряют интенсивность люминесценции (например, в области 850-950 нм) спиновых центров с основным квадруплетным спиновым состоянием при различной величине постоянного магнитного поля и в области изменения интенсивности люминесценции снимают первую кривую зависимости изменения интенсивности люминесценции от величины постоянного магнитного поля. Градуируют первую кривую по известному значению величины В магнитного поля в точке перегиба первой кривой, при которой происходит антипересечение спиновых подуровней M_S=-3/2 и M_S=1/2 для спинового центра с основным квадруплетным спиновым состоянием:

B=D/g_eβ_e,

где В - значение постоянного магнитного поля в точке перегиба первой кривой, мТл;

g_e=2,0028 - безразмерная величина, называемая g-фактором и характеризующая гиромагнитное отношение для электронного магнитного момента спинового центра в карбиде кремния;

β_e=9,2740·10^-24 - магнетон Бора, Дж/Тл;

D=14 - расщепление тонкой структуры для спинового центра с основным квадруплетным спиновым состоянием в карбиде кремния политипа 6H-SiC, МГц;

D=35 - расщепление тонкой структуры для спинового центра с основным квадруплетным спиновым состоянием в карбиде кремния политипа 4H-SiC, МГц.

Для карбида кремния политипа 6H-SiC В=0,5 мТл, а для карбида кремния политипа 6H-SiC В=1,25 мТл.

Параметр D не зависит от температуры окружения, что повышает точность измерений. Затем помещают на поверхность кристалла карбида кремния исследуемый образец, магнитное поле которого надо измерить. Снова измеряют интенсивность люминесценции спиновых центров с основным квадруплетным спиновым состоянием при различной величине постоянного магнитного поля. В области изменения интенсивности люминесценции снимают вторую кривую зависимости изменения интенсивности люминесценции от величины постоянного магнитного поля. Величину ΔВ магнитного поля, создаваемого исследуемым образцом в точке фокуса лазерного излучения, определяют по величине горизонтального сдвига второй кривой относительно первой кривой.

Пример 1. Описанным выше способом было измерено магнитное поле образца в виде фрагмента магнитной пленки, помещенного на плоскость кристалла карбида кремния политипа 6H-SiC, при этом создавали тесный контакт исследуемого образца с тонким слоем спиновых центров с основным квадруплетным спиновым состоянием в карбиде кремния. На рабочий материал в виде карбида кремния фокусировался свет лазера с длиной волны 795 нм, размер пятна в диаметре примерно 1 мкм, с этой области регистрировалась люминесценция спиновых центров с длиной волны 850-900 нм. Измеряемое магнитное поле регистрировалось по изменению люминесценции при помещении фрагмента магнитной пленки на плоскость кристалла карбида кремния политипа 6H-SiC и сдвигу линии (кривая 2, фиг. 3) по отношению к кривой 1, фиг. 3, зарегистрированной в отсутствие измеряемого объекта (магнитной пленки). Измеряемое поле равно 0,022 мТл.

Пример 2. Описанным выше способом было измерено магнитное поле образца в виде фрагмента магнитной пленки, помещенного на плоскость кристалла карбида кремния политипа 4H-SiC, при этом создавали тесный контакт исследуемого образца с тонким слоем спиновых центров с основным квадруплетным спиновым состоянием в карбиде кремния. На рабочий материал в виде карбида кремния фокусировался свет лазера с длиной волны 795 нм, размер пятна в диаметре примерно 1 мкм, с этой области регистрировалась люминесценция спиновых центров с длиной волны 850-900 нм. Измеряемое магнитное поле регистрировалось по изменению люминесценции при помещении фрагмента магнитной пленки на плоскость кристалла карбида кремния политипа 4H-SiC и сдвигу линии (кривая 4, фиг. 4) по отношению к кривой 3, фиг. 4, зарегистрированной в отсутствие измеряемого объекта (магнитной пленки). Измеряемое поле было равно 0,04 мТл.

Настоящий способ может быть использован для получения градиента магнитного поля при пространственном перемещении возбуждаемого светом пятна в плоскости, перпендикулярной лазерному лучу.

Настоящий способ может быть использован также для обнаружения переменных магнитных полей в выделенной с помощью оптической системы пространственной области объекта исследования, при этом время изменений магнитного поля может достигать очень малых величин (меньше 10 нс).

Одним из вариантов реализации настоящего способа измерения магнитного поля является использование приповерхностного слоя кристалла карбида кремния, содержащего высокую концентрацию спиновых центров с основным квадруплетным спиновым состоянием, для измерения распределения магнитных полей в виде магнитно-резонансной томографии на наноуровне, с возможным применением для получения изображений молекулярной органической или биологической структуры, нанесенной на поверхности карбида кремния.