RU2843830C1 - Устройство для наномасштабной визуализации слабых магнитных полей на основе комплекса NV-13C - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к методам измерения магнитного поля. Устройство для наномасштабной визуализации слабых магнитных полей на основе комплекса NV-¹³C содержит объектив, лазер, акустооптический модулятор (AOM), генератор СВЧ-сигнала, проволочную антенну, усилитель, аналогово-цифровой преобразователь (АЦП), фотодетектор, атомно-силовой микроскоп (АСМ), алмазный зонд, дихроичное зеркало, обрезающий фильтр, XYZ пьезосканер, ЭВМ, пинхол, при этом алмазный зонд представляет собой алмазный наностолбик, содержащий комплекс NV-¹³C, в котором изотоп ¹³С находится в третьей координационной сфере NV-центра для измерения магнитных полей с пространственным разрешением 8,6-12,9 нм и чувствительностью ~100 нТл⋅. Технический результат – достижение полной векторной магнитометрии с чувствительностью ~100 нТл⋅ и пространственным разрешением 8,6-12,9 нм. 4 ил.

Description

Изобретение относится к методам измерения магнитного поля, в частности для 3D-визуализации слабых магнитных полей. Измерение параметров магнитного поля является важной задачей в различных областях: материаловедении (в том числе, в области новых 2D-наноматериалов); исследовании и разработки в областях микро- и наноэлектроники, а также спинтроники; технологии создания энергонезависимой памяти; исследований в областях нейробиологии и биомедицины, проведении фундаментальных исследований в области нанотехнологий, высокотемпературной сверхпроводимости, физики магнитных явлений.

Из уровня техники известен способ магнитометрии на основе одиночного NV-центра [EP 2888596 B1], основанный на использовании алмазного зонда, состоящего из наностолбика, сформированного на алмазной пластине. Наностолбик имеет диаметр от 100 до 300 нм и длину от 0,5 до 5 мкм и содержит одиночный NV-центр на глубине около 10 нм. Зонд закреплен на наконечнике кантилевера атомно-силового микроскопа, который совмещен с конфокальным микроскопом, для обеспечения возбуждения и сбора сигнала флуоресценции от NV-центра. Вышеуказанный способ обеспечивает пространственное разрешение не хуже 30 нм. Недостатком данного технического решения является то, что одиночный NV-центр позволяет определить только модуль и полярный угол (B, θ) вектора магнитной индукции, но при этом, информация об азимутальном угле (ϕ) теряется, таким образом, невозможно проводить полную векторную магнитометрию.

Известен способ векторной магнитометрии с использованием ансамблей NV-центров в алмазе [US 10545200 B2]. Способ основан на использовании лазера, источника магнитного поля смещения, генератора СВЧ-сигнала, усилителя, алмаза с ансамблями NV-центров, оптического прибора для сбора флюоресценции, фотодетектора, аналого-цифрового преобразователя и ЭВМ. Физической основой способа является измерение расщепления состояний NV-центра с проекциями электронного спина m_S = ±1, величина которого напрямую связана с напряженностями действующих на центр полей. Величина расщепления определяется с помощью измерения спектра оптически детектируемого магнитного резонанса (ОДМР). При наложении смещающего магнитного поля, спектр ОДМР содержит линии, соответствующие 4-м направлениям осей квантования, анализ которых позволяет получить проекции на эти оси и по ним рассчитать x, y, z компоненты измеряемого магнитного поля. Недостатком данного подхода является низкое пространственное разрешение: ~0.5мкм, ограниченного дифракцией.

Ближайшим техническим решением является способ измерения магнитного поля [Feng-JianJiang, Jian-FengYeetal.Estimationofvectorstaticmagneticfieldbyanitrogen-vacancycenterwithasinglefirst-shell 13Cnuclear (NV-13C) spinindiamond. ChinesePhysicsB. Vol. 27, No. 5 (2018) 057601. Pp. 057601-1 - 057601-7.], где предлагается проведение векторной магнитометрии с помощью NV-центра, сверхтонко связанного с изотопом атома углерода - 13 (¹³C). При этом образуется гибридная квантовая система NV-¹³C. В такой системе в магнитном поле наблюдается ларморовское расщепление Δ энергетических подуровней, которое зависит от азимутального угла ϕ вектора магнитной индукции, что позволяет проводить полную векторную магнитометрию. Недостатком подобного подхода является низкое содержание таких комплексов в алмазе (вероятность, что случайно найденный NV-центр имеет ¹³С в первой координационной сфере, составляет всего 3.3 %, эта величина получается расчетным путем по биномиальному распределению) и поэтому их поиск является трудоемкой задачей.

Технический результат от реализации предлагаемого способа заключается в достижении полной векторной магнитометрии с чувствительностью ~100 нТл⋅ и пространственным разрешением 8,6-12,9 нм.

Технический результат достигается за счет того, что для измерения магнитных полей используется образец монокристаллического алмаза, содержащий комплекс NV-¹³C, в котором изотоп ¹³С находится в третьей координационной сфере NV-центра, а для вычисления параметров магнитного поля используется модель спинового гамильтониана NV-центра, включающая тензора сверхтонкого взаимодействия, рассчитанные методами квантовой химии. При этом, таких систем в алмазе гораздо больше (вероятность того, что случайно найденный NV-центр имеет изотоп¹³С в третьей координационной сфере ~16%, эта величина получается расчетным путем по биномиальному распределению). Для расчета параметров магнитного поля по резонансным линиям спектра ОДМР, используются тензора сверхтонкого взаимодействия NV-центра и изотопа ¹³С.

Чувствительность по магнитному полю определятся из соотношения:

, где = 2 - фактор Ланде,

h= 6.626×10⁻³⁴ Дж

с- постоянная Планка,

= 9.274×10⁻²⁴ Дж/Тл - магнетон Бора,

С = 20% - контраст одиночного NV-центра,

= 200 кГц - ширина линий ОДМР в образце алмаза с содержанием азота < 1·10^-7 % и содержанием ¹³С 1.1%,

I₀ = 10⁶ фотонов/с - средняя интенсивность флуоресценции от одиночного NV-центра.

Пространственное разрешение определяется расстоянием между комплексом NV-¹³С и исследуемой поверхностью d согласно следующему соотношению:

,

Где d = d_NV-13C+ d_tip, d_NV-13C - глубина залегания комплекса NV-¹³С в алмазе, d_tip - расстояние между зондом и исследуемой поверхностью.

Типичное значение для d_NV-13C - около 10 нм (например, при имплантации азота с энергией 6 КэВ). Расстояние от наконечника до поверхности образца d_tip может варьироваться, но обычно составляет 1 - 5 нм при минимизации поверхностных загрязнений и водяных пленок. Таким образом, d может иметь значения 10-15 нм и соответственно пространственное разрешение лежит в диапазоне 8,6 - 12,9 нм.

На фиг.1 приведена схема конкретной реализации предлагаемого способа для проведения векторной магнитометрии с использованием комплекса NV-¹³C. Схема включает объектив (1), лазер с длиной волны 532 нм (2), акустооптический модулятор (AOM) (3), генератор СВЧ-сигнала (4), проволочную антенну (5), усилитель (6), аналогово-цифровой преобразователь(АЦП) (7), фотодетектор (8), атомно-силовой микроскоп (АСМ) (9), алмазный зонд (10), представляющий собой наностолбик диаметром до 300 нм на алмазной пластине, прикрепленный к наконечнику АСМ и содержащий на глубине около 10 нм комплекс NV-¹³C, дихроичное зеркало (11), обрезающий фильтр 633 нм (12), XYZ пьезосканер (13), ЭВМ (14), пинхол (15, 16).

Работа устройства осуществляется следующим образом. Излучение от лазера (2) с длиной волны 532 нм проходит через АОМ (3) и пинхол (15),отражается от дихроичного зеркала (11) и попадет на объектив (1), который фокусирует лазерное излучение на алмазный зонд (10), объектив (1) также используется для сбора сигнала флуоресценции от NV-центра. Лазерное излучение переводит NV-центр в возбужденное состояние, откуда он переходит в основное состояние с проекцией электронного спина |, излучая одиночные фотоны в диапазоне длин волн 630 - 800 нм, которые с помощью объектива (1) собираются и проходят через дихроичное зеркало (11), обрезающий фильтр (12), пинхол (16) и регистрируются фотодетектором (8).

Обрезающий фильтр (12) необходим для выделения спектральной полосы NV-центра и не пропускает излучение в диапазоне до 633 нм. СВЧ-сигнал от генератора (4) усиливается с помощью усилителя (6) и подается на антенну (5), которая служит для подведения резонансного СВЧ-поля с частотой 2 - 4 ГГц, управляющего спиновым состоянием NV-центра. Воздействие СВЧ-излучения на NV-центр переводит его состояние с проекцией спина в состояние с проекцией спина , что влечет за собой снижение уровня флюоресценции. Далее сигнал от фотодетектора (8) передается на АЦП (7) и регистрируется на ЭВМ (14),где происходит обработка сигналов и построение спектров ОДМР. АСМ система (9) используется для контроля расстояния между зондом и образцом, а также для совмещения зонда с фиксированной оптической осью. Сканирование по поверхности образца выполняется с помощью пьезосканера(13)сканирующей системы (9).

Из спектра ОДМР (фиг. 2) можно получить резонансные частоты , , , . Величина расщепления Δ определяется с использованием последовательности Рамси , где - промежуток времени между радиочастотными импульсами.

Для определения параметров магнитного поля используется простейший спин-гамильтониан NV-центра, сверхтонко взаимодействующего с ядерным спином ¹³С:

,

где первый член учитывает тонкое расщепление (D=2970 МГц) в нулевом магнитном поле подуровней основного состояния NV-центра с проекциями = ± 1 и = 0, S() - стандартные операторы спина S = 1, а второй описывает сверхтонкое взаимодействие (СТВ) электронного спина NV-центра с ядерным спином I = изотопического атома ¹³С, А - тензор сверхтонкого взаимодействия между электронным спином NV-центра и ядерным спином ¹³С, который берется из данных квантовохимического моделирования для конкретной конфигурации комплекса NV-¹³C[A. P. Nizovtsev, S. Ya. Kilin, A. L. Pushkarchuk, V. A. Pushkarchuk, S. A. Kuten, O. A. Zhikol, S. Schmitt, T. Unden,andF. Jelezko, NewJ. Phys., 20, No. 2, ArticleID 023022 (2018).], и - гиромагнитные отношения электронного и ядерного спинов, B(Bsinθcosϕ, Bsinθsinϕ, Bcosθ) - вектор индукции магнитного поля в сферической системе координат, где ось z направлена по оси квантования NV-центра, а ось x находится в плоскости изотопа ¹³C (фиг. 3). Численная диагонализация гамильтониана позволяет получить 6 собственных состояний и 6 соответствующих им собственных значений энергий и получить теоретические значения частот и Δ. Схема энергетических уровней и разрешенные переходы между уровнями показаны на фиг. 4. Индуцируемые микроволновым излучением переходы между энергетическими уровнями удовлетворяют квантовомеханическим правилам отбора: = ±1 (ориентация спина электрона изменяется) и = 0 (ориентация ядерного спина сохраняется). При этом, вследствие близости частот переходы 3 - 1 и 3 - 2 дают вклад в первую линию , переходы 4 - 1, 4 - 2 - во вторую линию , переходы 5 - 1, 5 - 2 - в третью линию и, наконец, переходы 6 - 1, 6 - 2 - в четвертую линию с частотой .

Далее вводится оптимизационная функция, которая на вход принимает параметры поля:

,

где , - теоретически рассчитанные значения резонансных частот и ларморовского расщепления. Далее, находится минимум оптимизационной функции, при этом параметры , при которых достигается минимум, описывают исследуемое магнитное поле.

Claims (4)

1. Устройство для наномасштабной визуализации слабых магнитных полей на основе комплекса NV-¹³C, характеризующееся тем, что содержит:
2. объектив, лазер, акустооптический модулятор (AOM), генератор СВЧ-сигнала, проволочную антенну, усилитель, аналогово-цифровой преобразователь (АЦП), фотодетектор, атомно-силовой микроскоп (АСМ), алмазный зонд, дихроичное зеркало, обрезающий фильтр, XYZ пьезосканер, ЭВМ, пинхол, при этом
3. излучение от лазера проходит через АОМ и пинхол, отражается от дихроичного зеркала и попадет на объектив, который фокусирует лазерное излучение на алмазный зонд, объектив также используется для сбора сигнала флуоресценции от NV-центра, лазерное излучение переводит NV-центр в возбужденное состояние, откуда он переходит в основное состояние, излучая одиночные фотоны в диапазоне длин волн 630-800 нм, которые с помощью объектива собираются и проходят через дихроичное зеркало, обрезающий фильтр, пинхол и регистрируются фотодетектором, причём
4. алмазный зонд представляет собой алмазный наностолбик, содержащий комплекс NV-¹³C, в котором изотоп ¹³С находится в третьей координационной сфере NV-центра для измерения магнитных полей с пространственным разрешением 8,6-12,9 нм и чувствительностью ~100 нТл⋅.