基于无微波金刚石NV色心测磁技术的电流测量应用

为了在特高压(UHV)环境下使用氮-空位(NV)色心量子测量技术,研究了金刚石主轴与磁场夹角对相应曲线及电流测量精度的影响。构建金刚石氮-空位七能级超精细结构模型,根据仿真结果得到不同磁场方向下最高灵敏度范围和最佳测量范围,从而确定探头的最佳放置角度。基于无微波金刚石氮-空位技术搭建了直流大电流测量实验平台,测试了100~5000A范围内荧光电压对电流的响应曲线。实验结果表明,该平台对5000A直流电流测量误差在0.25%以内。作为无源器件,无微波金刚石氮-空位色心测磁传感器全光纤信号传输具备良好耐压性能,同时可在室温下工作,并具有结构紧凑、灵敏度高、抗电磁干扰能力强等优势,适用于特高压环境下的直流电流测量,为传统电力行业检测提供了新的检测方法。

基于金刚石NV色心的电流传感技术及其标准化研究初探

为推进量子化电流传感技术的落地应用,探讨了基于金刚石NV色心的电流传感技术,初步研究了其标准化技术。首先,介绍了金刚石NV色心的结构和物理特性,分析了基于金刚石NV色心的光学特性及自旋量子相干性的电流传感测量原理,研究了磁噪声抑制、磁测量灵敏度提升和测量芯片小型化等实用化技术;然后,分析了基于金刚石NV色心的电流传感测量技术的技术优势和标准化需求,提出了标准体系建设建议,为基于金刚石NV色心的电流传感技术研究、设备研制及传感测量系统落地应用提供技术支撑。

DLC膜对金刚石纳米柱NV色心发光收集强度的影响

金刚石氮空位(NV)色心发光收集强度的提高是实现单光子源技术的关键。本工作将锥状的类金刚石(DLC)梯度减反膜引入纳米柱色心单光子源中,旨在从色心的自发辐射速率与光子收集效率两方面提高NV色心的发光收集强度。采用时域有限差分(FDTD)法对带有DLC膜的金刚石纳米柱复合结构进行了光学仿真,探究了不同结构参数的DLC薄膜对金刚石纳米柱NV色心光子收集强度、出射效率及自发辐射速率的影响,并且通过优化得到了最大收集强度下的结构参数。仿真结果表明,引入DLC膜能够使金刚石纳米柱中NV色心获得更高的光子出射效率(≥1%),并且能够改变纳米柱内部电场分布,使色心自发辐射速率增加16.8%,最终使光子的总收集强度增加15.5%。

采用磁屏蔽环结构的金刚石NV色心全光直流互感器系统

针对目前电力系统对电流互感器的精度与灵敏度提出的更高要求,提出了一种基于金刚石氮-空位(NV)色心的全光直流互感器的系统方案,系统包括光源模块、激光反馈模块、激光分束模块、一次传感探头模块、激光分频模块、光电转换模块以及信号采集和数据处理模块。对系统中的磁屏蔽环进行了结构的设计与仿真,并对仿真结果进行了实验验证。最后搭建了单通道实验验证系统,系统实测结果表明,设计的全光直流互感器在5 000 A大电流下无磁屏蔽时可以达到0.35%的测量精度,加入磁屏蔽环后测量精度提升到了0.06%,从而为基于金刚石NV色心的全光直流互感器的研制提供了参考。

基于系综NV色心的温度传感器关键技术

金刚石中的氮空位中心（NV色心）具有独特的自旋特性,且其电子自旋受周围环境如温度的影响,从而可以通过探测NV色心的电子自旋态实现对温度的精密测量。在精密测量中,NV色心的哈密顿量起重要作用,而哈密顿量受周围环境温度的影响,所以研究了291-390 K温度下系综NV色心的光探测磁共振（ODMR）信号与温度的关系。随着温度的升高,零场劈裂D值逐渐减小,并且获得370-390 K时零场劈裂D值与温度间存在斜率为-61.65 kHz/K的线性关系,并对ODMR信号进行微波调制,这对以后实现高精度的温度场测量具有很好的应用前景,也为研究金刚石材料的温度特性提供了很好的技术支持。

NV色心磁测量研究现状及发展趋势

综述了金刚石氮空位(NV)色心磁测量研究现状及发展趋势。对NV色心DC磁测量和AC磁测量主要方法进行了系统的对比分析,着重介绍了采用连续波光探测磁共振(CW-ODMR)方法检测DC磁场的发展趋势并分析其优势和不足之处,以及利用Spin Echo技术对AC磁测量的分析研究。然后介绍了NV色心在集成NV色心磁力计、体细胞NV色心磁测量以及硬盘驱动器检测等方面的应用,指出未来NV色心磁测量主要向高灵敏度、小型化、集成化、便携化的方向发展。最后分析得出NV色心DC磁测量存在微波和激光功率导致ODMR线宽展宽,延长退相位时间是提高DC磁灵敏度最主要的手段。NV色心AC磁测量则对系统电噪声和磁噪声等环境因素要求较高,延长退相干时间是提高AC磁灵敏度的关键因素。

金刚石NV色心磁力计极限灵敏度优化方法

光探测磁共振（ODMR）信号作为氮空位（NV）色心磁力计进行磁检测的主要手段,其主要受到微波功率强度和激光功率强度的影响。对金刚石NV色心磁力计展开研究,根据其检测原理,探究其极限灵敏度优化方法。搭建了ODMR信号的检测系统,对ODMR信号的激发功率进行了探究。实验结果表明在该实验系统下,微波功率约为60 mW、激光功率约为10 mW是最优的ODMR信号激发功率,可以使磁力计灵敏度达到最优,得到其理论值为17.80 nT/Hz^1/2。为金刚石NV色心磁力计灵敏度的进一步提高提供了改进方法。

量子调控型NV色心系综磁强计灵敏度优化

氮空位(NV)色心是金刚石中固有的缺陷,具有纳米量级的空间分辨率和微特斯拉量级的磁灵敏度,可以实现高灵敏度与高空间分辨率的微弱磁检测。利用NV系综磁敏感单元,可以将固态电子自旋信号实时检测技术应用于NV磁强计。准确进行AC磁测量是研究的关键。利用NV色心电子自旋进行量子调控,通过光探测磁共振(ODMR)测试确定共振频率,二能级Rabi振荡测试确定Rabi频率以及退相干时间测试确定横向弛豫时间。由于自旋回波存在相位积累,导致荧光布局数发生改变。最后利用量子相位随荧光布局数的关系计算出最大AC磁场灵敏度约为0.8 pT/■。

金刚石NV色心在钢丝绳缺陷检测中的应用

氮-空位(NV)色心是金刚石中的一种晶格缺陷,由于其具有优异的自旋性质和光学性质,在量子精密测量领域受到广泛关注。利用金刚石的高灵敏度和高分辨率磁测量特性,实现灵敏且准确的钢丝绳缺陷检测。在磁场测量方面,该技术使用光学探测磁共振法测出NV色心的共振频率,从而计算出外界的磁场强度。在钢丝绳检测方面,以浓度为1.8×10^(17)~3.6×10^(17)的NV色心磁传感器为核心组成探头模块,三块高度集成的现场可编程门阵列(FPGA)板卡组成控制模块,搭建量子精密测量平台,检测钢丝绳断丝缺陷和微弱磨损缺陷。实验结果表明,该系统的磁场测量灵敏度可达6 nT/Hz,空间分辨率为200μm,可以对钢丝绳缺陷进行准确检测,为工业安全提供了新的检测方式。

基于金刚石系综NV色心的温度磁传感特性

基于金刚石系综氮空位(NV)色心量子传感技术,搭建了高精度量子传感温度测量实验平台,探究了金刚石NV色心温度传感特性。通过测试不同温度下的光探测磁共振(ODMR)信号,验证了NV色心的零场劈裂参数(D)会随着温度(T)变化这一结论,即随着温度的升高,ODMR信号整体往左漂移。测得在293~343 K内,D与T呈线性关系,且斜率为-62.4 kHz/K。本实验不仅为高灵敏度和高空间分辨率的纳米尺度温度场测量提供了方法,也对NV色心温度传感器的设计和NV色心量子精密测量提供了技术支持。

基于磁集聚效应的系综NV色心磁检测增强

高灵敏色心量子自旋磁检测是弱磁、极弱磁检测及成像应用的关键.本文通过搭建结合磁力线集聚结构(MFC)的系综金刚石氮空位(NV)色心的宽视场磁分布成像系统,对系综金刚石NV色心磁检测增强进行了系统研究.首先基于磁力线集聚效应仿真设计并制造了成对的T型薄片状MFC结构,利用连续波光探测磁共振(ODMR)宽视场磁成像技术对MFC的磁增强效果进行验证.实验测试的MFC间距的最小值为1.0 mm,此时磁增强倍数约为10.35,通过进一步对比不同磁场强度以及不同间距条件下的MFC磁增强效果,验证了MFC磁增强效果的有效性,系统磁检测灵敏度由1.10 nT/Hz^(1/2)提升至0.30 nT/Hz^(1/2).通过进一步对比仿真与测量获得的磁增强倍数与间隙宽度的关系,可对实验系统的磁增强及灵敏度进行有效估计.在MFC间距为0.5 mm时,对应的磁增强倍数可提升至约18.21,磁灵敏度则可达0.25 nT/Hz^(1/2).以上结果表明基于磁集聚效应可以实现系综金刚石氮空位色心磁检测灵敏度的有效提升,为精密量子测量技术在弱磁、极弱磁检测应用方面提供了参考.

金刚石NV色心的制备及应用(特邀)

氮空位(NV)色心是一种具备优良光学性能和自旋特性的金刚石发光缺陷,由于其在超分辨成像技术、量子测量、量子信息等领域的巨大应用前景,近年来吸引了许多科研工作者的关注。目前,人们已经通过多种方法制备浓度和空间位置可控的高品质NV色心,并推动了其在量子传感和量子信息等领域的应用。NV色心的电子自旋哈密顿量与多种物理量有关,因此能够通过读取NV色心的电子自旋态实现量子精密测量;此外,NV色心作为一种电子自旋相干时间长、性能稳定的固态自旋量子体系,可以实现安全高效的量子信息处理。近年来,量子测量的灵敏度随着NV色心制备工艺的进步而快速提升。介绍了NV色心的结构和基本特性,并对其制备和应用进行了总结和展望。

CVD单晶金刚石[NV]和[SiV]缺陷的抑制与消除

反应气体中添加体积分数0.001%的N2,研究CVD金刚石PL(photoluminescence spectroscopy,PL)光谱发现,与N杂质相关的[NV]0与[NV]-和与Si杂质相关的[SiV]是金刚石中的主要杂质缺陷。经过高温高压(high temperature and high pressure,HPHT)处理后,[NV]0峰的强度被削弱,[NV]-峰的强度被增强,[SiV]峰的强度被显著增强,并新出现了[SiV]-宽峰。反应气体中N2体积分数降至0.0001%并添加0.5%的O2后,[NV]0与[NV]-峰消失,O2升高至1%后[SiV]峰强度出现了明显降低,继续升高O2含量,[SiV]峰强度下降趋势变缓,这些现象证明了添加少量O2有助于CVD金刚石中N和Si杂质缺陷的抑制与消除。

基于金刚石NV色心的微角度测量方法

微角度检测在超高精密测量技术中有着重要的作用。研发了一种基于金刚石氮空位(NV)色心的微角度测量方法,其中NV色心作为微角度检测敏感单元,共轴磁铁作为传感单元,由于共轴磁铁和金刚石NV轴之间不同夹角下的磁场强度变化引起金刚石NV色心自旋能级波动,从而使得光学探测磁共振(ODMR)信号漂移,通过闭环频率锁定技术的实时追踪实现微角度的检测。并对微角度测量进行了理论分析和实验测试,理论和实验结果基本一致。同时,通过该方法获得了微角度传感检测的灵敏度为200 mV/deg,分辨率为10 mdeg,系统的等效角度均方根噪声为0.69 mdeg/Hz^(1/2)。该方法为高灵敏度、高分辨率的微角度检测提供了新的手段,同时实时追踪金刚石多个NV轴,可实现姿态矢量微角度检测。

金刚石NV色心系综内14N核自旋测量与调控

金刚石内氮空位(NV)色心中的氮核自旋是一个原子级别磁结构,无法如同NV电子自旋一样在任意磁场下受光泵浦极化。随机指向的氮核自旋缩短了NV色心电子自旋的相干时间,限制了NV色心电子自旋的传感测量能力。通过激光、微波和射频脉冲共同作用完成NV色心中氮核自旋的磁共振测量和调控,表明其可以被调控和初始化。研究结果表明,NV色心中的14N核自旋在2.79、4.95和7.11 MHz处具有共振信号。测量得到的核自旋系综Rabi信号在11个π脉冲的脉冲宽度射频作用后仍然具有明显相干性,而电子自旋系综在7个π脉冲的脉冲宽度微波作用后已经完全退相干,表明其具有远优于NV电子自旋的相干性质。引入单个π脉冲脉冲宽度的射频信号后,14N核自旋在一个态上的布居数降低了50%。这项工作可为在基于NV色心的传感测量应用中引入核自旋调控提升传感能力提供技术支撑。

基于磁集聚器的金刚石NV色心磁力计灵敏度的增强

对于金刚石氮空位(NV)色心磁力计,探索新的方法提高其灵敏度具有重要的意义。详细介绍了一种基于闭环反馈的频率调制技术结合磁集聚器的高灵敏度和高分辨率磁测量方法。设计了具有12倍磁放大倍数的T型磁集聚器。通过频率调制技术,磁力计灵敏度由1.5 nT/Hz^(1/2)提升到0.13 nT/Hz^(1/2)。同时,通过闭环锁定技术,磁力计最小可检测磁感应强度由10 nT增强到1 nT。该方法在理论和实验上均得到了验证,能够实现磁力计灵敏度和分辨率的提高,为高灵敏度和高分辨率磁力计的设计提供了参考,同时对自旋电子磁共振的基础研究也有着重要的意义。

基于金刚石NV色心的弱磁场测量

从选题背景、实验原理、实验设计方案、实验结果与讨论、教学应用与展望等方面入手,介绍了基于金刚石NV色心的弱磁场测量相关的实验教学研究.重点阐述了金刚石NV色心的制备、共聚焦光路系统的搭建、通电线圈和圆柱形磁铁磁场的测量以及三维亥姆霍兹线圈的应用.该成果转化应用到全国大学生物理实验竞赛中,通过竞赛、教学、科研的有机结合,培养学生的综合素质和实践创新能力,并丰富大学物理实验的前沿教学内容.

基于微波调制参数优化机理的磁强计灵敏度提高方法

基于金刚石氮空位(NV)色心的磁强计,其磁场检测的灵敏度与光探测磁共振(ODMR)的解调曲线最大斜率的倒数呈正比,而解调曲线的斜率主要取决于系统的微波调制参数。对磁强计的灵敏度与微波调制幅值和调制相位之间的关系进行了研究。首先介绍了金刚石NV色心的能级结构,根据其磁检测原理,采用基于微波频率调制解调的ODMR技术来检测外部微弱磁场。然后介绍了微波调制参数优化机理模型。最后对NV色心磁强计系统的微波调制幅值和调制相位进行了测试。测试结果表明,当调制幅值为5.55 V、调制相位为85°或258°时,解调曲线的斜率为5.1 V/MHz,相比于未优化前(1.1 V/MHz)提高了约4.6倍。散粒噪声限制的磁强计的灵敏度约为0.9 nT/Hz1/2(未优化前约为4.0 nT/Hz1/2,理论计算结果约为0.3 nT/Hz1/2)。

全光学非破坏微波场分布成像

随着技术的进步,微波集成电路的复杂度和集成度都在不断提高,并且其特征线宽也在不断减小,因此非破坏高分辨微波场近场成像技术对芯片的功能和失效分析至关重要,目前尚没有成熟的技术路线。文章提出了一种基于金刚石氮空位色心的固态量子体系作为传感单元,通过分析色心基态自旋在共振微波场中的量子态演化规律,采用全光学的方法,获得微波场分布的一种精密测量方法。该方法通过搭建光学成像系统进行一次宽场成像来获得芯片整体的微波场分布,具有高效、对近场干扰小等优点,有望在芯片电磁兼容测试、微波芯片失效分析和天线近场分布成像等应用上提供一种全新的测量方案。

扫描氮-空位显微镜探针-样品间距的测定方法

基于金刚石量子精密测量技术的扫描氮-空位显微镜(SNVM)近年来发展十分迅速,广泛应用于磁性材料,生物成像等领域。其中,作为原子级大小的感测单元,氮-空位色心探针和样品之间的距离是影响SNVM成像空间分辨率的重要因素,也是准确重构扫描成像物理量的必要条件。本文提出一种导线标准样品及测量方法,用于确定氮-空位色心探针与样品间距。首先使用电子束光刻及镀膜等微纳加工技术实现百纳米线宽的导线标准样品的制备,其次在自行搭建的扫描氮-空位显微镜平台上实现标准样品中电流产生磁场的扫描成像,之后使用理论公式对磁场成像结果进行拟合分析得到氮-空位色心探针-样品间距,最后对该方法的精度及空间分辨率进行讨论。