CN107256047A - 固态原子自旋传感器无磁温控*** - Google Patents

固态原子自旋传感器无磁温控*** Download PDF

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Abstract

本发明涉及量子传感领域，具体是一种固态原子自旋传感器无磁温控***，包括金刚石衬底，所述金刚石衬底上加工有金刚石NV色心波导（4），所述金刚石衬底上设有覆盖金刚石NV色心波导（4）的多孔磁性PDMS薄膜（3），所述金刚石衬底下表面两侧加工有微带天线阵列（2），所述微带天线阵列（2）连接有微波源。本发明利用MPCVD磁、电约束方法制备了浓度大于1018cm‑1的氮元素掺杂金刚石结构，利用微纳加工工艺方法制备了金刚石色心结构，实现了NV色心结构的激发和荧光收集，同时结合电子束加工方法实现了微波天线的共面制造，并通过时序操控方法进行磁场变化信号高信噪比检测，实现温度调制磁场作用，进行磁噪声有效抑制，达到无磁温控目的。

Description

固态原子自旋传感器无磁温控***
技术领域
本发明涉及量子传感领域，具体是一种基于金刚石氮空位色心的无磁温控***。
背景技术
近年来，随着原子物理、量子物理技术的不断发展，精密物理测量技术不断传统测量技术极限，基于原子能级磁场作用下的拉莫尔进动磁共振效应，使得物理量测量逐渐逼近理论极限水平，然而原子、量子的基本结构单元在低温环境下才能表现出超高的信噪比，随着温度的上升，电子、光子等结构变得活跃，导致物理测量信噪比严重下降，同时针对热原子技术的原子干涉、原子自旋的物理量测量技术也亟需极其稳定的温度环境来实现原子的高信噪比检测。
然而常规的温控技术多采用电加热、激光加热等技术，温控过程中产生严重的磁噪声，必然会引起原子能级的二阶塞曼效应，引入相位噪声，同时引起基于原子干涉效应测量机理原子相干性波动，导致测试灵敏度下降，因此，针对量子技术的超高精度物理测量技术的应用发展需求，亟需无磁温度技术来不断提高量子技术对物理量测量的能力。
发明内容
本发明目的是利用基于室温单自旋磁控技术，提出一种基于多孔共聚物、金刚石色心、平面微波天线的金刚石色心温度监测和磁补偿***。
本发明是采用如下技术方案实现的：
一种固态原子自旋传感器无磁温控***，包括金刚石衬底，所述金刚石衬底上加工有金刚石NV色心波导，所述金刚石衬底上设有覆盖金刚石NV色心波导的多孔磁性PDMS薄膜，所述金刚石衬底下表面两侧加工有微带天线阵列，所述微带天线阵列连接有微波源；所述金刚石衬底下方设有物镜，所述物镜下方设有分光镜，所述分光镜下方设有长波通滤波片，所述长波通滤波片下方设有光电二极管；所述分光镜接收来自于激光器发出的脉冲激光通过物镜射向金刚石上的氮空位色心波导。
无磁温控原理：利用纳米磁结构复合的多孔共聚物结构在温度变化过程中磁场随之变化特性，通过设置温度调控磁场系数，抵消由于恒温***控制过程中的磁噪声，来抑制温控过程中的磁噪声。
工作时，通过分光镜将激光器打出的激光脉冲经物镜聚光射向金刚石氮空位色心，激光经NV色心的电子从基态激发到激发态。微带天线阵列通过微波源产生微波使金刚石NV色心感受到多孔磁性PDMS薄膜的磁场变化发出不同的荧光，通过分光镜和长波通滤波片将收激发产生的荧光送入光电二极管，光电二极管收集经过长波通滤波片滤光的荧光信号转变为电信号，将电信号传输湿度显示装置。对于NV色心，在只有外加微波而没有外加磁场时，只有1个荧光强度峰值，外加磁场后，由于塞曼效应和电子自旋，NV色心的能级会发生***，从而出现2个荧光强度峰值，而且两个荧光强度的峰值所对应的两个微波频率的差值与磁场强度有着一定的线性关系，通过测量两个荧光强度峰值之间的微波频率差就可以得到外加磁场的磁场强度，外加磁场强度由多孔磁性PDMS薄膜感受外界温度后提供。
激光器发出532nm激光，具体温度读取方法如下：
功率稳定的激光透过物镜照射在金刚石的NV色心上，引起NV色心中的NV—从基态跃迁，自旋态极化到明亮的mS=0态，而此时加上从2.8GHz-2.95GHz的扫描微波，使NV—发生自旋共振，自旋能级mS=|0>→mS=|±1>跃迁时，布局数在两个能级之间重新分配，荧光计数下降。在连接光电探测器的示波器上可以看到一条横坐标为扫频微波频率、纵坐标为辐射荧光的强度的一条曲线，称之为光探测磁共振谱（ODMR），在NV色心附近加上磁场后，引发NV色心的零场***，在微波的两个点上可以看到荧光强度有明显的衰减。ODMR谱的两个波谷之间的距离可以直观的显示出磁场强度的变化，在实际使用中，对不同温度情况的ODMR谱的波谷距离进行测量标定，在实际使用中可根据ODMR谱的波谷距离可以得到当前环境下的温度情况。
附图说明
图1 表示本发明的原理图。
图中：1-激光器，2-微带天线阵列，3-多孔磁性PDMS薄膜，4-金刚石NV色心波导，5-物镜，6-分光镜，7-长波通滤波片，8-光电二极管。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施例进行详细说明。
一种固态原子自旋传感器无磁温控***，包括金刚石衬底，所述金刚石衬底上加工有金刚石NV色心波导4，所述金刚石衬底上设有覆盖金刚石NV色心波导4的多孔磁性PDMS薄膜3，所述金刚石衬底下表面两侧加工有微带天线阵列2，所述微带天线阵列2连接有微波源；所述金刚石衬底下方设有物镜5，所述物镜5下方设有分光镜6，所述分光镜6下方设有长波通滤波片7，所述长波通滤波片7下方设有光电二极管8；所述分光镜6接收来自于激光器1发出的脉冲激光通过物镜5射向金刚石上的氮空位色心波导4。
激光器1发出脉冲激光通过分光镜6射向金刚石上的氮空位色心上，由于温度不同，多孔磁性PDMS薄膜的膨胀率不同，进而磁场强度不同，微带天线阵列2通过微波源产生的微波使金刚石NV色心感受到多孔磁性PDMS薄膜3的磁场变化发出不同的荧光，通过分光镜和长波通滤波片将收激发产生的荧光送入光电二极管8，光电二极管8收集经过长波通滤波片滤光的荧光信号。
其中，多孔磁性PDMS薄膜3是均匀混合了Fe3O4的多孔PDMS薄膜。具体制备方法如下：
（1）将PDMS与固化剂通过机械方式按10：1的比例混合，并用搅拌棒搅拌，等到细小泡沫均匀分布在PDMS与固化剂混合液的每一部分时停止，然后在真空箱中抽真空至1×10-3Tor后放置1小时以上除去原先液体中大量存在的细小泡沫，得到均匀无气体存在的纯净胶状PDMS-固化剂混合材料；
（2）、将Fe3O4纳米颗粒与胶状PDMS-固化剂混合材料按照所需的比例（一般情况下，Fe3O4和胶状PDMS-固化剂混合材料的质量比例为1：4）进行均匀混合，并再进行真空处理；
（3）、将PDMS膜在60℃，20MPa的CO2高压釜中放置2h，在恒定压力的情况下将高压釜在冰水浴中冷却到0℃，然后以0.5MPa/min的速率卸压至常压，获得多孔磁性PDMS薄膜。
本实施例温度传感器首先采用微纳米制造工艺在金刚石表面加工制造了高浓度色心波导结构，通过兼容工艺共面集成微波天线阵列，研制芯片级金刚石色心温度传感器，具体制备方案如下：
1、采用MEMS加工工艺，制备金刚石色心波导
1.1、采用MPCVD外延工艺和电子束辐射技术，在高温退火后在衬底上形成高质量的NV色心薄膜层，具体流程如下：
1.1.1、高浓度金刚石色心制备工艺：利用微波化学气相沉积（MPCVD）技术制备浓度高于1018cm-1的金刚石色心；即采用高纯化N2气源（99.99%）和高内壁清洁净度气管，气源入腔口采用12500目过滤网进行微尘，净化气体；在超高真空（10-7torr）下采用高压微波等离子化CH4、H2、N2三种气体，激发出C、N原子，利用原子磁矩相互作用效应，采用磁、电约束方法，精确操控C、N原子比例，实现超高均匀性的浓度高于1018cm-1的氮元素可控制造高浓度金刚石色心。
1.1.2、NV色心活化工艺：采用高能10MeV电子束辐射对金刚石衬底进行5小时辐照，进行原位电子与晶格中的碳元素碰撞，产生空位；在超高真空环境下，快速退火驱使碳元素向表面移动，消除晶格畸变和残余应力，然后在真空下850℃高温下退火2h，使空位发生迁移，并捕获电子，形成NV色心薄膜层。
1.2、采用多次抛光技术对金刚石衬底的上下表面进行抛光。
1.3、在金刚石衬底上表面外延生长一层氧化硅掩膜层200nm。
1.4、采用光刻和刻蚀技术，图像化转移制备出金刚石NV色心波导图像结构。
1.5、采用干法刻蚀技术进行金刚石体结构刻蚀，在金刚石衬底中部形成金刚石NV色心波导。
2、制备多孔磁性PDMS薄膜，将多孔磁性PDMS薄膜复合在金刚石衬底上，并覆盖金刚石NV色心波导。
3、芯片级平面集成与制造
在加工的金刚石衬底下表面进行微波天线阵列集成加工，具体步骤如下：
1）、采用电子束蒸发技术，在加工好的金刚石衬底上制备一层800~850nm的Ti/Pt/Au，其中Ti厚度为100nm~200nm，Pt厚度约为50nm~100nm，Au厚度为300nm~600nm；
2）、采用IBE刻蚀技术，刻蚀出微带天线阵列结构，微带天线长250微米，宽和高为40微米。
本发明利用MPCVD磁、电约束方法制备了浓度大于1018cm-1的氮元素掺杂金刚石结构，利用微纳加工工艺方法制备了金刚石色心结构，实现了NV色心结构的激发和荧光收集，同时结合电子束加工方法实现了微波天线的共面制造，并通过时序操控方法进行磁场变化信号高信噪比检测，实现温度调制磁场作用，进行磁噪声有效抑制，达到无磁温控目的。
以上仅为本发明的具体实施例，但并不局限于此。任何以本发明为基础解决基本相同的技术问题，或实现基本相同的技术效果，所作出地简单变化、等同替换或者修饰等，均属于本发明的保护范围内。

Claims (5)

1.一种固态原子自旋传感器无磁温控***，其特征在于：包括金刚石衬底，所述金刚石衬底上加工有金刚石NV色心波导（4），所述金刚石衬底上设有覆盖金刚石NV色心波导（4）的多孔磁性PDMS薄膜（3），所述金刚石衬底下表面两侧加工有微带天线阵列（2），所述微带天线阵列（2）连接有微波源；所述金刚石衬底下方设有物镜（5），所述物镜（5）下方设有分光镜（6），所述分光镜（6）下方设有长波通滤波片（7），所述长波通滤波片（7）下方设有光电二极管（8）；所述分光镜（6）接收来自于激光器（1）发出的脉冲激光通过物镜（5）射向金刚石上的氮空位色心波导（4）。
2.根据权利要求1所述的固态原子自旋传感器无磁温控***，其特征在于：所述多孔磁性PDMS薄膜（3）是均匀混合了Fe3O4的多孔PDMS薄膜。
3.根据权利要求2所述的固态原子自旋传感器无磁温控***，其特征在于：所述多孔磁性PDMS薄膜（3）的制备方法如下：
（1）将PDMS与固化剂通过机械方式按10：1的比例混合并搅拌，等到细小泡沫均匀分布在PDMS与固化剂混合液的每一部分时停止，然后在真空箱中抽真空至1×10-3Tor后放置1小时以上除去原先液体中大量存在的细小泡沫，得到均匀无气体存在的纯净胶状PDMS-固化剂混合材料；
（2）、将Fe3O4纳米颗粒与胶状PDMS-固化剂混合材料按照所需的比例进行均匀混合，并再进行真空处理；
（3）、将PDMS膜在60℃，20MPa的CO2高压釜中放置2h，在恒定压力的情况下将高压釜在冰水浴中冷却到0℃，然后以0.5MPa/min的速率卸压至常压，获得多孔磁性PDMS薄膜。
4.根据权利要求1所述的固态原子自旋传感器无磁温控***，其特征在于：所述微带天线阵列（2）中微带天线的规格为：长250微米，宽和高均为40微米。
5.根据权利要求1所述的固态原子自旋传感器无磁温控***，其特征在于：所述激光器（1）发出532nm激光脉冲。
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