一种基于金刚石NV色心的磁场测量方法技术

本发明专利技术公开了一种基于金刚石NV色心的磁场测量方法，通过采用高浓度的金刚石，对金刚石进行表面处理后，采用高均匀性近场强辐射微波天线进行激励，通过增加参与传感的色心数量，可减小继而降低δB

【技术实现步骤摘要】
一种基于金刚石NV色心的磁场测量方法


[0001]本专利技术属于磁场测量
，具体涉及一种基于金刚石NV色心的磁场测量方法。

技术介绍

[0002]金刚石NV色心是指金刚石中的氮
‑
空位色心。色心由原子缺陷或掺杂引起的，氮
‑
空位色心是最常见和研究最广泛的色心之一，氮
‑
空位色心在金刚石中的存在赋予金刚石特殊的光学和电子性质，它具有一对电子自旋态，称为电子自旋三重态，这些自旋态可以通过激光激发和读取，使其成为一种非常有用的量子比特，用于量子计算和量子信息处理，由于金刚石具有优异的机械、光学和热学性质，并且氮
‑
空位色心是固态材料中最稳定和最可控的量子系统之一，所以金刚石NV色心在量子技术和纳米科学领域具有广泛的应用前景。
[0003]但是在现有技术中，在利用金刚石NV色心进行磁场测量前，需要筛选合适的金刚石样品用于离子注入，例如中国专利公开了一种NV色心磁场测量装置及光调制磁场测量方法，CN112068046B，通过依次连接的调制光源模块、透镜、操控场馈送模块、内含NV色心的金刚石样品、滤波片和信号检测模块，以及所述操控场馈送模块和所述金刚石样品被设置在偏置磁场发生模块内，能够基于光调制技术在低功率条件下进行磁场测量，具有室温下启动运行操作简单，易于集成等优点。
[0004]虽然上述方案具有如上的优势，但是在实际磁场测量过程，由于探测设备所监测数据精度受到各种噪声限制，其中散粒噪声是磁强计的内部噪声源之一，而同时传统探测技术中NV色心的散粒噪声极限灵敏度较低，针对较为微弱的磁信号探测时，由于散粒噪声极限灵敏度较低，就导致所测量范围受到限制，无法进行有效磁场探测，因此需要一种基于金刚石NV色心的磁场测量方法来解决此类问题。

技术实现思路

[0005]为解决上述问题，本专利技术公开了一种基于金刚石NV色心的磁场测量方法，能够增强NV色心的散粒噪声极限灵敏度，使得磁场测量结果更加准确和可靠，同时降低噪声水平，提高信号与噪声的比值，减少对信号处理和后续数据分析的复杂性。
[0006]为达到上述目的，本专利技术的技术方案如下：
[0007]一种基于金刚石NV色心的磁场测量方法，包括以下步骤：
[0008](1)样品制备、准备：筛选合适的金刚石样品，对金刚石表面进行表面处理和激光对准，使用离子注入法将氮
‑
空位(NV)色心引入金刚石晶格中；
[0009](2)测量系统搭建：搭建磁场测量装置和测量系统，包括上位机、激光器、磁场控制系统、光学系统和数据采集系统；
[0010](3)光学初始化、微波激励：使用激光器对NV色心进行光学初始化，将其置于基态，然后施加微波场激励，使NV色心处于m
s
＝0和m
s
＝
±
1态，微波场激励采用高均匀性近场强辐射微波天线；
[0011](4)激发、读取：激发和读取NV色心，使用激光器激发金刚石中的NV色心，将NV色心置于特定自旋态，调节激光的频率和功率，使NV色心处于所需的工作态；
[0012](5)磁场施加：施加外部磁场、将待测磁场源放置在金刚石样品附近；
[0013](6)荧光读取、灵敏度增强：使用激光器激发NV色心，测量其发出的荧光信号，散粒噪声极限灵敏度表达式如下：δB
SN
表示由于光子散粒噪声引起的磁场不确定，为测量时间度，为洛伦兹拟合失谐因子，g
e
为朗德因子，μ
b
为玻尔磁子，T为ODMR信号对比度，F为荧光探测速率，h为普朗克常量，
△
v为连续波ODMR谱的线宽；
[0014](7)信号解调处理：对荧光信号进行解调处理，提取出与磁场相关信息；
[0015](8)数据分析和测量结果：根据信号解调处理所得特征，以Labview中的理论模型为基础，进行数据分析和计算，得到磁场测量结果。
[0016]本专利技术进一步地设置为：在步骤(1)中，合适的金刚石样品具体指高浓度金刚石；
[0017]本专利技术进一步地设置为：在步骤(1)中，对金刚石进行表面处理包括：清洗、酸洗、焰烧、高温退火以及抛光，具体的：使用乙醇或丙酮对金刚石样品进行清洗、将金刚石样品浸泡在浓度70％以上的浓硝酸溶液，使用氧
‑
乙炔或氧
‑
氢炔焰火对金刚石样品进行10s
‑
500s的焰烧处理、将金刚石样品在800
‑
1200℃环境下进行退火处理、使用CMP抛光技术对金刚石样品进行表面平整化处理；
[0018]本专利技术进一步地设置为：在步骤(2)中，测量系统基于Labview进行搭建；
[0019]本专利技术进一步地设置为：在步骤(2)中，光学系统中的光学探测器采用DSC
‑
R401HG，灵敏度为
‑
15ddm10Gb/s，工作波长范围为400～1000nm，数据采集系统中的数据采集卡，采样速率可达125MHz，125MHz状态下的采样间隔可保持8ns；
[0020]本专利技术进一步地设置为：在步骤(5)中，磁场施加方式采用电磁线圈方式进行施加；
[0021]本专利技术进一步地设置为：在步骤(6)中，荧光读取采用荧光边带收集、复合抛物面聚光器(CPC)以及光囚禁金刚石波导技术进行荧光收集。
[0022]本专利技术的有益效果如下：
[0023]本专利技术通过采用高浓度的金刚石，对金刚石进行表面处理后，采用高均匀性近场强辐射微波天线进行激励，通过增加参与传感的色心数量，可减小继而降低δB
SN
，同时F的提高同样可以降低δB
SN
，采用高均匀性近场强辐射微波天线，同时在荧光读取阶段利用荧光边带收集、复合抛物面聚光器、光囚禁金刚石波导技术提高荧光收集效率F，来增强NV色心的散粒噪声极限灵敏度，使得磁场测量结果更加准确和可靠，同时可以降低噪声水平，提高信号与噪声的比值，减少对信号处理和后续数据分析的复杂性，且更强的极限灵敏度可以提高磁场测量的最小可探测信号，意味着能够探测到更弱的磁场信号，从而扩大了测量范围，解决了现有技术中存在的传统探测技术中NV色心的散粒噪声极限灵敏度较低，导致监测数据精度受到各种噪声限制，同时针对较为微弱的磁信号探测，测量范围受到限制无
法进行有效磁场探测问题。
附图说明
[0024]图1为本专利技术的一种基于金刚石NV色心的磁场测量方法的流程图。
具体实施方式
[0025]下面结合附图和具体实施方式，进一步阐明本专利技术，应理解下述具体实施方式仅用于说明本专利技术而不用于限制本专利技术的范围。
[0026]如图1所示，本专利技术提供一种技术方案：一种基于金刚石NV色心的磁场测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
[0027](1)样品制备、准备：筛选合适的金刚石样品，对金刚石表面进行表面处理和激光对准，使用离子注入法将氮...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于金刚石NV色心的磁场测量方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)样品制备、准备：筛选合适的金刚石样品，对金刚石表面进行表面处理和激光对准，使用离子注入法将氮
‑
空位NV色心引入金刚石晶格中；(2)测量系统搭建：搭建磁场测量装置和测量系统，包括上位机、激光器、磁场控制系统、光学系统和数据采集系统；(3)光学初始化、微波激励：使用激光器对NV色心进行光学初始化，将其置于基态，然后施加微波场激励，使NV色心处于m
s
＝0和m
s
＝
±
1态，微波场激励采用高均匀性近场强辐射微波天线；(4)激发、读取：激发和读取NV色心，使用激光器激发金刚石中的NV色心，将NV色心置于特定自旋态，调节激光的频率和功率，使NV色心处于所需的工作态；(5)磁场施加：施加外部磁场、将待测磁场源放置在金刚石样品附近；(6)荧光读取、灵敏度增强：使用激光器激发NV色心，测量其发出的荧光信号，散粒噪声极限灵敏度表达式如下：δB
SN
表示由于光子散粒噪声引起的磁场不确定，为测量时间度，为洛伦兹拟合失谐因子，g
e
为朗德因子，μ
b
为玻尔磁子，T为ODMR信号对比度，F为荧光探测速率，h为普朗克常量，
△
v为连续波ODMR谱的线宽；(7)信号解调处理：对荧光信号进行解调处理，提取出与磁场相关信息；(8)数据分析和测量结果：根据信号解调处理所得特征，以Labview中的理论模型为基础，进行数据分析和计算，得到磁场...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵立业，冯宇，沈翔，王裕海，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：