Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ХАРАКТЕРИСТИК МАГНИТНОГО ПОЛЯ

Изобретение относится к способам измерения характеристик магнитного поля и может быть использовано при создании и эксплуатации магнитных датчиков и магнитометров.

Измерение характеристик магнитного поля является актуальной задачей для самых различных областей деятельности, от геологоразведки и археологии до биологии и медицины.

Существует большое количество различных способов измерения характеристик магнитного поля. Одним из наиболее перспективных, сочетающих высокую чувствительность и высокое пространственное разрешение, считается способ с использованием электронных спиновых систем в твердотельных образцах, например NV-центров в алмазе, известный из патента US 8947080 «High sensitivity solid state magnetometer» (пп. 4, 9 формулы), МПК G01R 33/02, публ. 03.02.2015. Особенностями NV-центров (nitrogen-vacancy centers) является то, что их электронные спины могут быть поляризованы в определенном состоянии с помощью оптического излучения, в том числе при комнатной температуре, легко манипулируются микроволновым излучением, кроме того, интенсивность флюоресценции зависит от степени спиновой поляризации NV-центра. В указанном способе на электронную спиновую систему внутри твердотельного образца воздействуют оптическим излучением и некоторым внешним воздействием, которым может быть, в частности, радиочастотное излучение, а в случае NV-центров - микроволновое излучение (см. пп. 4, 9 пат. US 8947080), таким образом, чтобы вызвать прецессию электронного спина NV-центров вокруг направления измеряемого магнитного поля. Измеряют частоту этой прецессии, которая линейно зависит от измеряемого магнитного поля вследствие Зеемановского сдвига уровней энергии электронной спиновой системы. По величине Зеемановского сдвига определяют характеристики измеряемого магнитного поля.

Недостатком этого способа является использование наряду с оптическим излучением внешнего управляющего воздействия, в частности, в случае NV-центров - микроволнового излучения. Источник микроволнового излучения усложняет конструкцию, использование микроволнового излучения ограничивает область применимости способа, т.к. в ряде случаев его использование может быть затруднено или может приводить к нежелательным воздействиям на объект исследования.

Наиболее близким аналогом по технической сущности к предлагаемому способу является способ измерения характеристик магнитного поля, основанный на эффекте антипересечения подуровней основного состояния NV-центров в алмазе, который выбран в качестве прототипа (A. Wickenbrock, Н. Zheng, L. Bougas, N. Leefer, S. Afach, A. Jarmola, V.M. Acosta, and D. Budker, «Microwave-free magnetometry with nitrogen-vacancy centers in diamond)), Applied Physics Letters, V. 109, 053505 (2016)). Способ-прототип позволяет производить измерение характеристик магнитного поля с использованием NV-центров в алмазе без использования микроволнового излучения.

Способ-прототип включает в себя следующие шаги. Кристалл алмаза с NV-центрами помещают в область измеряемого магнитного поля. На указанный кристалл направляют электромагнитное излучение оптического диапазона, приводящее к спиновой поляризации NV-центров. К указанному кристаллу прикладывают дополнительное постоянное магнитное поле величиной ~102,4 мТл, ориентированное вдоль оси одной из групп NV-центров, приводящее к эффекту антипересечения подуровней основного состояния NV-центров, при этом измеряют сигнал флюоресценции. Измеряемое магнитное поле приводит к смещению подуровней основного состояния и нарушению условия антипересечения подуровней основного состояния NV-центров, что приводит к изменению сигнала флюоресценции. Этот эффект используется в способе-прототипе для определения характеристик измеряемого магнитного поля. Для повышения точности измерений в способе-прототипе к указанному кристаллу прикладывают также небольшое переменное магнитное поле, ориентированное так же, как и дополнительное постоянное магнитное поле, и используют технику синхронного детектирования.

Недостатком способа-прототипа является использование сильного дополнительного постоянного магнитного поля ~102,4 мТл, что, во-первых, ограничивает область применимости способа теми случаями, когда использование сильных магнитных полей допустимо, а, во-вторых, усложняет техническую реализацию.

Задачей, решаемой настоящим изобретением, является разработка способа измерения характеристик магнитного поля с помощью NV-центров в алмазе без использования микроволнового излучения и сильного дополнительного постоянного магнитного поля.

Технический результат в разработанном способе измерения характеристик магнитного поля, как и в способе-прототипе, достигается за счет того, что кристалл алмаза с NV-центрами помещают в область измеряемого магнитного поля, на указанный кристалл алмаза направляют электромагнитное излучение оптического диапазона, приводящее к спиновой поляризации NV-центров, регистрируют сигнал флюоресценции.

Новым в разработанном способе измерения характеристик магнитного поля является то, что 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 данной зависимости регистрируют положения резонансов, соответствующих совпадению частот переходов между подуровнями основного состояния, относящихся к различным группам NV-центров. По указанным положениям резонансов определяют характеристики измеряемого магнитного поля.

Разработанный способ, в отличие от способа-прототипа, не требует использования сильного дополнительного постоянного магнитного поля. Это упрощает техническую реализацию и расширяет область применимости способа, позволяя работать в ситуациях, в которых использование сильных магнитных полей недопустимо.

Предложенный авторами способ измерения характеристик магнитного поля основан на использовании взаимодействия разных групп NV-центров в кристалле алмаза в магнитном поле. Известно (см., например, А.В. Цуканов, «NV-центры в алмазе. Часть I: общие сведения, технология изготовления, структура спектра», Микроэлектроника, Т. 41, №2, С. 104-119 (2012)), что NV-центры в алмазе образуют четыре группы с различной ориентацией оси NV-центра относительно кристаллографических осей алмаза. Частоты переходов между подуровнями основного состояния для различных групп NV-центров по-разному зависят от магнитного поля. В общем случае указанные частоты в ненулевом магнитном поле не совпадают. Однако при некоторых магнитных полях возможно совпадение указанных частот для двух или нескольких групп NV-центров. Такое совпадение частот переходов между подуровнями основного состояния, относящихся к различным группам NV-центров, приводит к взаимодействию NV-центров и, как следствие, к их частичной деполяризации, что отражается в изменении сигнала флюоресценции. Авторами предлагается использовать этот эффект для измерения характеристик магнитного поля.

Разработанный способ поясняется следующими чертежами.

На фиг. 1 представлена схема возможной технической реализации разработанного способа в соответствии с п. 1. формулы.

На фиг. 2 представлена упрощенная схема уровней NV-центра в алмазе.

На фиг. 3 представлена возможная зависимость сигнала флюоресценции от величины переменного магнитного поля при реализации разработанного способа в соответствии с п. 1 или п. 3 формулы.

Возможны различные технические реализации разработанного способа. Схема одной из возможных технических реализаций разработанного способа представлена на фиг. 1. Она содержит кристалл алмаза 1 с NV-центрами, лазер 2, дихроичное зеркало 3, соленоид 4 и фотодетектор 5.

Способ измерения магнитного поля в соответствии с п. 1 формулы с помощью схемы, представленной на фиг. 1, осуществляют следующим образом.

Кристалл алмаза 1 с NV-центрами помещают в область измеряемого магнитного поля . Длину волны лазера 2 выбирают так, чтобы она была меньше длины волны бесфононной линии NV-центра (~637 нм, см. фиг. 2), в частности, в качестве лазера 2 можно использовать широко распространенный лазер с длиной волны 532 нм. Излучение лазера 2 с помощью дихроичного зеркала 3, которое выбирают так, чтобы оно отражало излучение лазера 2, но пропускало сигнал флюоресценции от NV-центров, направляют на кристалл алмаза 1 с NV-центрами. Известно (см., например, А.В. Цуканов, «NV-центры в алмазе. Часть II: спектроскопия, измерения, квантовые операции», Микроэлектроника, Т. 41, №3, с. 163-180 (2012)), что в этом случае действие излучения приводит к спиновой поляризации NV-центров на подуровень основного состояния |0〉 с проекцией спина на ось NV-центра, равной 0 (см. фиг. 2). С помощью соленоида 4 к кристаллу алмаза 1 с NV-центрами прикладывают переменное магнитное поле , изменяющееся во времени по некоторому, например гармоническому, закону и ориентированное в некотором наперед заданном направлении относительно кристаллографических осей кристалла алмаза 1. Известно, что частоты переходов между подуровнями основного состояния зависят от величины и направления магнитного поля , которое в рассматриваемом случае является суммой измеряемого магнитного поля и переменного магнитного поля

Величины частот переходов между подуровнями основного состояния задаются следующей формулой (K. Holliday, N.B. Manson, М. Glasbeek, and Е. van Oort. «Optical hole-bleaching by level anti-crossing and cross relaxation in the N-V centre in diamond», Journal of Physics: Condensed Matter, V. 1, №39, P. 7093-7102 (1989)):

где ν₊ - частота перехода между подуровнями основного состояния |0〉 и |+1〉, ν_- - частота перехода между подуровнями основного состояния |0〉 и |-1〉 (см. фиг. 2), k=gμ_BB, g - фактор Ланде, μ_B - магнетон Бора, В - величина магнитного поля, параметр α удовлетворяет условию:

где D≈2,88 ГГц - расщепление в нулевом магнитном поле, θ - угол между осью NV-центра и магнитным полем. Направления осей различных групп NV-центров относительно кристаллографических осей кристалла алмаза задаются четырьмя векторами .

Изменение сигнала флюоресценции при совпадении частот переходов между подуровнями основного состояния, относящихся к различным группам NV-центров, приводит к появлению резонансов в зависимости сигнала флюоресценции от величины переменного магнитного поля В_~, положение которых зависит от величины и направления измеряемого магнитного поля .

С помощью фотодетектора 5 регистрируют сигнал флюоресценции от NV-центров и измеряют зависимость сигнала флюоресценции от величины переменного магнитного поля В_~. На данной зависимости регистрируют положения резонансов, соответствующих совпадению частот переходов между подуровнями основного состояния, относящихся к различным группам NV-центров. По указанным положениям резонансов определяют характеристики измеряемого магнитного поля.

Из выражений (2) и (3) следует, что для относительно небольших значений магнитного поля (В<300 Гс) совпадение частот переходов между подуровнями основного состояния, относящихся к различным группам NV-центров, соответствует равенству модулей проекций магнитного поля на оси соответствующих NV-центров.

Введя - единичный вектор вдоль направления переменного магнитного поля , из выражения (4) с учетом (1) получим следующее выражение для положения резонансов:

где возможно 9 различных векторов , , , , , , , , , .

Таким образом, в общем случае может быть до 9 резонансов, в некоторых случаях некоторые из них могут совпадать. По положению указанных резонансов можно определить характеристики магнитного поля, к которым, в частности, относятся величина и направление магнитного поля. Методики могут быть различными.

Для измерения характеристик магнитного поля можно использовать различные направления переменного магнитного поля. В качестве примера рассмотрим способ измерения по п. 3, когда переменное магнитное поле направлено вдоль одной из главных кристаллографических осей, например, вдоль оси x, что соответствует . В этом случае будут наблюдаться 5 резонансов (см. фиг. 3), при следующих положениях (значениях величины переменного магнитного поля):

Положение центрального резонанса позволяет однозначно определить проекцию

Также из измерений можно определить модули проекций на другие оси |В_0у|, |B_0z|, однако способ измерения по п. 3 не позволяет идентифицировать, какое из измеренных значений соответствует проекции В_0у, а какое В_0z. При этом можно однозначно определить величину измеряемого магнитного поля

Таким образом, способ измерения по п. 3 позволяет однозначно определить величину магнитного поля и проекцию на направление оси х.

Для полного и однозначного измерения величины и направления магнитного поля следует провести несколько измерений с различными направлениями переменного магнитного поля . В качестве примера и в соответствии с п. 4 можно провести следующие три измерения.

В первом измерении магнитное поле направляют вдоль кристаллографической оси x, что соответствует . С помощью фотодетектора регистрируют сигнал флюоресценции от NV-центров и измеряют зависимость сигнала флюоресценции от величины переменного магнитного поля B_~. На данной зависимости регистрируют положения резонансов, соответствующих совпадению частот переходов между подуровнями основного состояния, относящихся к различным группам NV-центров. В этом случае будут наблюдаться 5 указанных резонансов. Положение центрального резонанса b_0,1 позволяет однозначно определить проекцию В_0х

Во втором измерении магнитное поле направляют вдоль кристаллографической оси у, что соответствует . С помощью фотодетектора регистрируют сигнал флюоресценции от NV-центров и измеряют зависимость сигнала флюоресценции от величины переменного магнитного поля B_~. На данной зависимости регистрируют положения резонансов, соответствующих совпадению частот переходов между подуровнями основного состояния, относящихся к различным группам NV-центров. В этом случае будут также наблюдаться 5 указанных резонансов. Положение центрального резонанса b_0,2 позволяет однозначно определить проекцию В_0у

В третьем измерении магнитное поле направляют вдоль кристаллографической оси z, что соответствует . С помощью фотодетектора регистрируют сигнал флюоресценции от NV-центров и измеряют зависимость сигнала флюоресценции от величины переменного магнитного поля В_~. На данной зависимости регистрируют положения резонансов, соответствующих совпадению частот переходов между подуровнями основного состояния, относящихся к различным группам NV-центров. В этом случае также будут наблюдаться 5 указанных резонансов. Положение центрального резонанса b_0,3 позволяет однозначно определить проекцию B_0z

Таким образом, указанные три измерения способа по п. 4 позволяют определить проекции магнитного поля В_0х, В_0у, В_0z на кристаллографические оси x, у, z, а, следовательно, величину и направление измеряемого магнитного поля .

Примеры конкретной реализации предлагаемого способа.

В первом примере реализации предлагаемого способа в соответствии с п. 1 и п. 3 кристалл алмаза с NV-центрами помещают в слабое однородное поле, направление которого предполагают измерить. На указанный кристалл алмаза направляют излучение лазера с длиной волны 532 нм, приводящее к спиновой поляризации NV-центров. К указанному кристаллу с NV-центрами прикладывают переменное магнитное поле, изменяющееся во времени по гармоническому закону и ориентированное в некотором наперед заданном направлении. С помощью фотодетектора регистрируют сигнал флюоресценции от NV-центров и измеряют зависимость сигнала флюоресценции от величины переменного магнитного поля. При экспериментальной проверке на данной зависимости зарегистрированы положения (значения величин переменного магнитного поля) шести резонансов, соответствующих совпадению частот переходов между подуровнями основного состояния, относящихся к различным группам NV-центров, с контрастностью около 1%. По указанным положениям резонансов были определены величина и проекция измеряемого магнитного поля на направление переменного магнитного поля.

В другом примере реализации предлагаемого способа в соответствии с п. 2 в качестве оптического излучения используют резонансное лазерное излучение на длине волны бесфононной линии поглощения NV-центра (~637 нм), при этом кристалл алмаза помещают в криостат с температурой менее 30 К. Известно, что в таких условиях характер спиновой поляризации NV-центров существенно меняется (R. Akhmedzhanov, L. Gush-chin, N. Nizov, V. Nizov, D. Sobgayda, I. Zelensky, and P. Hemmer. «Optically detected magnetic resonance in negatively charged nitrogen-vacancy centers in diamond under resonant optical excitation at cryogenic temperatures», Physical Review A, V. 94, 063859 (2016)). В этом эксперименте на зависимости сигнала флюоресценции от величины переменного магнитного поля наблюдались резонансы обратного по сравнению с экспериментом с излучением с длиной волны 532 нм знака с контрастностью около 10%. По положению наблюдавшихся резонансов были определены величина и проекция измеряемого магнитного поля на направление переменного магнитного поля.

Таким образом, проведенная экспериментальная проверка предлагаемого способа показала его работоспособность с достижением заявленного технического результата.