基于金刚石NV色心集成振动检测模块的设计.pdf
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1、第 40 卷 第 4 期2023 年 7 月量 子 电 子 学 报CHINESE JOURNAL OF QUANTUM ELECTRONICSVol.40 No.4Jul.2023基于金刚石基于金刚石NVNV色心集成振动检测模块的设计色心集成振动检测模块的设计陈骊颖 1,2,黄 堃 1*,王 琪 1,闫仕农 2(1 中北大学动态测试技术国家重点实验室,山西 太原 030051;2 中北大学半导体和物理学院,山西 太原 030051)摘要:原子对磁场的高敏感特性使得金刚石氮空位(NV)色心在量子传感领域的使用越来越广泛。为研究金刚石在振动测磁方面的优越性,使用集成振动模块把传统的共聚焦系统集成在
2、PCB板上以测试振动结果。以圆柱形永磁体作为振动测磁的质量块,由于外界振动的影响使永磁体与金刚石NV色心的距离产生变化,因此金刚石NV色心上的磁场强度也会产生变化。对振动效应的检测通过金刚石NV色心上光探测磁共振(ODMR)荧光信号的分析来获得。集成振动实验在距离永磁体15 mm范围内对振动效应进行验证,测试得到基于金刚石氮空位色心振动传感的位移噪声灵敏度为11 nm/Hz1/2。关 键 词:量子光学;振动检测;光学检测磁共振;磁感应中 图 分 类 号:O439 文 献 标 识 码:A 文章编号:1007-5461(2023)04-00500-10Design of an integrated
3、 vibration detection module based on diamond NV color centersCHEN Liying 1,2,HUANG Kun 1*,WANG Qi 1,YAN Shinong 2(1 State Key Laboratory of Dynamic Testing Technology,North University of China,Taiyuan 030051,China;2 School of Semiconductors and Physics,North University of China,Taiyuan 030051,China)
4、AbstracAbstract t:The highly precise sensitivity of atoms to magnetic fields has led to the increasing application of diamond nitrogen vacancy(NV)color centers in the field of quantum sensing.To investigate the superiority of diamond in vibration magnetometry,an integrated vibration module is used t
5、o integrate a conventional confocal system on a PCB board for vibration testing.A cylindrical permanent magnet is used as the mass block for vibration magnetometry.Due to the influence of external vibrations,the distance between the permanent magnet and the diamond NV color center will change,so the
6、 magnetic field intensity on the diamond NV color center will also change.The detection of the vibration effect is obtained by analyzing the light-detected magnetic resonance(ODMR)fluorescence signal of diamond NV color core.Integrated vibration experiments are performed to validate the vibration ef
7、fect at a DODOI I:10.3969/j.issn.1007-5461.2023.04.009基金项目:山西高校创新项目(2019L0518)作者简介:陈骊颖(1997-),女,湖南株洲人,研究生,主要从事量子缺陷的振动检测方面的研究。E-mail:导师简介:闫仕农(1963-),山西太原人,博士,副教授,主要从事纳米材料的光学性能及应用光学方面的研究。E-mail:收稿日期:2022-10-09;修改日期:2022-11-07*通信作者。E-mail:第 40 期陈骊颖等:基于金刚石NV色心集成振动检测模块的设计distance of 15 mm from the perman
8、ent magnet,and the sensitivity of the displacement noise based on the vibration sensing of diamond nitrogen vacancy color core is tested to be 11 nm/Hz1/2.K Keyey wordswords:quantum optics;vibration detection;optical detection magnetic resonance;magnetic induction0 引 言近年来,基于量子技术的传感1和计量学2在学术界引起广泛关注。其
9、中一种基于金刚石中负电荷的氮空位(NV)色心的前瞻性量子传感方法代表了从基础研究向商业产品开发的转变,这些色心具有广泛的动态范围、较高的空间分辨率和在室温下的高磁灵敏度。此外,该技术还可用于测量温度3、电场4、磁场5和压力6等。磁场由NV色心的电子自旋观察到的塞曼效应感知,其自旋状态可以通过光学启动、微波控制和具有较长相干时间的光学读出,其中许多相互依赖的因素会限制NV集成潜在的传感器性能,导致难以优化其性能。由于金刚石具有高折射率,需要开发有效的解决方案以提取NV色心发射的荧光。而灵敏度则取决于金刚石材料的质量7,如限制自旋相干特性的应变以及材料参数(包括NV浓度8、NV取向9、NV电荷状态
10、10、同位素组成11、顺磁性杂质的浓度12)。对于NV自旋的光学初始化,必须为高灵敏度的NV系综磁强计13 设置激发光的光功率、波长、偏振性和均匀性。除了提供足够强和均匀的微波场外,还需要进一步提供均匀的偏移磁场。最近在NV金刚石磁强计方面取得的成果包括:检测交流磁场14,灵敏度为0.9 pTHz1/2;记录神经元动作电位15,灵敏度为15 pTHz1/2;在低频范围内灵敏度为0.9 pTHz1/2。NV色心磁力计具有高灵敏度和广泛的动态范围。然而,以上结果大多是通过在实验室中大型装置获得的,而基于NV的磁强计的便捷应用需要将传感器组件集成到小型便携式设备上。机械振动16在遥感卫星、结构健康监
11、测和其他使用原子力显微镜(AFM)的技术中发挥着重要作用,可以通过检测和测量振动信号来确定其属性17。例如,可以用 金刚石NV色心作为扫描探针来进行对NV的高精度磁性测量实验。本文介绍了各种类型的振动传感器,包括压电式传感器18、压阻式传感器19和电容式传感器20。这些传感器各有不足之处,例如压电式微加速度计器件使用的压电材料价格较昂贵且线性度不够好;压阻式微加速度计灵敏度较低,不利于测量微小的加速度变化,并且蠕变和迟滞效应比较明显;电容式微加速度计易受寄生电磁和电容干扰的影响。本文研发了一种基于金刚石NV色心的集成振动测磁模块。此振动传感器利用PCB板对NV色心进行光学初始化和部署,由靠近金
12、刚石的筋膜枪建立的位移检测方案来实现。此集成振动测磁模块包括偏移磁场、振动源、滤波器和PD等必要的组件,装置的灵敏度约为11 nm/Hz1/2。1 工作原理和工作方法1.1 电子自旋共振原理金刚石晶格中一个碳原子被氮原子取代,同时相邻位置又缺少一个碳原子,从而产生了一个空位,即NV色心,如图1(a)所示。至今,已经在NV色心中发现两种不同形式的缺陷,即中性态NV0和负电荷态NV。光探测磁共振(ODMR)信号可以测量NV自旋的能级跃迁,而不能测量NV0,因此下文提到的NV色心均指NV。501量 子 电 子 学 报40卷常温下,金刚石NV色心的基态可以看成是3A2 的自旋三重态,分别对应ms=0,
13、+1,1态,如图1(b)所示。在未成对的两个电子的磁偶极子相互作用下,ms=1和ms=0之间存在零场分裂常数D 2.87 GHz 的零场劈裂,其中ms=1态在无外界磁场影响情况下被称为简并态,简并态在光探测磁共振光谱中仅有一个共振谷出现。在受到外界环境磁场影响下,ms=1和ms=+1之间会发生退简并,会导致光探测磁共振光谱中出现两个共振谷。当外界施加的磁场方向与金刚石NV色心轴线方向一致时会产生共振频率,可表示为=DgBB,(1)式中:朗德因子g=2,玻尔磁子B=1.4 10-4 MHz/T,B为磁感应强度。图1(a)NV色心结构;(b)NV色心的能级结构和跃迁机制Fig.1(a)NV cor
14、e structure;(b)Energy level structure and transition mechanism of NV core1.2 振动检测原理振动检测利用了金刚石NV色心的电子自旋对磁场的高灵敏度特性。NV色心的磁灵敏度会影响金刚石能量水平,从而导致NV色心的变化,ODMR光谱也会发生变化,如图2所示,ODMR光谱直接反映了荧光强度的周期性变化。之后,ODMR信号可用于检测共振峰的移动,通过ODMR信号计算筋膜枪频率和振幅,并进行振动检测。振动检测装置包括一个集成磁强计电路模块、一个磁铁和一个筋膜枪。筋膜枪与磁铁相连,当筋膜枪振动时磁铁和金刚石之间的位移被调制,并由振动
15、传递的动态磁信号调制荧光强度。图2 相位调制技术引起的荧光强度变化Fig.2 Fluorescence intensity change induced by the phase-modulation technique 2 设计和实验装置2.1 永磁体的设计与分析亥姆霍兹线圈、永磁体等常规磁体结构周围磁场成梯度场分布。以圆柱形永磁体下表面圆心为原点建502第 40 期陈骊颖等:基于金刚石NV色心集成振动检测模块的设计立坐标系,如图 3所示,此圆柱形永磁体的材料为N35烧结钕铁硼,沿轴线方向均匀磁化,测量得到永磁体直径r=20 103 m,高度 h=1 103 m,磁化强度M=0.1229 T
16、。由于对称性,在圆柱中心轴线(z 轴)上的点只受到z 轴方向磁场强度分量的作用,其他方向相互抵消。z 轴上任意一点P 的磁场强度H 可以由z 轴方向的磁场强度分量Hz 表示为HZ=M40h02r r-cos(-0)2+r2-2rcos(-0)+(z-z0)2 3/2d0dz0,(2)式中:(,z)为任意一点P 的柱坐标,z0为圆柱厚度,0为圆柱侧表面上从z 轴正方向来看自x 轴逆时针旋转到指定位置的角度。图3 永磁体示意图Fig.3 Schematic diagram of the permanent magnet实验中,利用Matlab软件对(2)式进行仿真分析,结果如图4所示。由于是均匀磁
17、化,B=H/0,其中0=4 107 N/A2为真空磁导率。图4 z轴上的磁场强度仿真图Fig.4 Simulation diagram of the magnetic field strength along z-axis由图4可知,在距离永磁体轴线方向15 mm内存在显著的磁场强度线性区域,在进行振动测试前用高斯计对永磁体磁场进行测试,从而获得较大的磁场强度梯度。测试中,通过位移调节台将高斯计探头沿永磁体轴线移动,记录所在位置d 与高斯计所测试的磁场强度B,测试结果如图 5所示。线性拟合分析表明,沿永磁体轴线方向412 mm范围内的磁场强度梯度为dB/dz=15.74 10-4 T/mm,线
18、性相关系数为0.99。因此可以将此范围内的磁场强度视为线性变化,沿轴线上某一位置z 与磁场强度B 503量 子 电 子 学 报40卷的关系拟合直线方程为B=-15.73924z+77.8394.(3)图5 沿z 轴的实测磁场强度变化Fig.5 Measured magnetic field intensity changes along z-axis2.2 实验装置本研究利用PCB电路板来集成组件,如图6所示。组件包括金刚石层、微波天线层、滤光片、信号放大器和光电二极管。实验中的NV样品是从元素6公司购买的取向为 001 的单晶金刚石,其发射波长为637800 nm的荧光,经过滤波片滤除荧光中
19、的残余激光后,最后由光电探测器检测荧光强度信号,最终发送到计算机上。微波是由微波源(型号Ceyear,1465)产生,其作用是区分共振频率(ms=1),并通过微波天线传输至金刚石。图6(a)振动检测系统示意图;(b)器件实物图;(c)IV放大器示意图Fig.6(a)Schematic diagram of the vibration detection system;(b)Photo of the device;(c)Schematic diagram of the IV amplifier在器件测试过程中,微波对放大电路存在干扰,把从天线环到运算放大器的距离定义为干扰距离。辐射功率为64 m
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