Способ измерения характеристик магнитного поля

Изобретение относится к способам измерения характеристик магнитного поля и может быть использовано при создании и эксплуатации магнитных датчиков и магнитометров. Способ измерения характеристик магнитного поля заключается в том, что кристалл алмаза с NV-центрами помещают в область измеряемого магнитного поля, на который направляют электромагнитное излучение оптического диапазона, приводящее к спиновой поляризации NV-центров. К указанному кристаллу прикладывают по крайней мере однократно переменное магнитное поле, ориентированное в некотором наперед заданном направлении. Измеряют зависимость сигнала флюоресценции от величины переменного магнитного поля. В качестве алмазного образца используют поликристаллический алмаз с NV-центрами со случайной ориентацией осей. По положению единственного кросс-релаксационного резонанса в сигнале флюоресценции определяют проекцию измеряемого магнитного поля. Технический результат – упрощение способа измерения характеристик магнитного поля. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

 

Изобретение относится к способам измерения характеристик магнитного поля и может быть использовано при создании и эксплуатации магнитных датчиков и магнитометров.

Измерение характеристик магнитного поля является актуальной задачей для самых различных областей деятельности, от геологоразведки и археологии до биологии и медицины.

Существует большое количество различных способов измерения характеристик магнитного поля. Одним из наиболее перспективных, сочетающих высокую чувствительность и высокое пространственное разрешение, считается способ с использованием электронных спиновых систем в твердотельных образцах, например, NV-центров в алмазе, известный, в том числе, из патента US 8947080 «High sensitivity solid state magnetometer» (пункты 4, 9 формулы), МПК G01R 33/02, публ. 03.02.2015. Особенностями NV-центров (nitrogen-vacancy centers) является то, что их электронные спины могут быть поляризованы в определенном состоянии с помощью оптического излучения, в том числе при комнатной температуре, легко манипулируются микроволновым излучением, кроме того, интенсивность флюоресценции зависит от степени спиновой поляризации NV-центра. В указанном способе на электронную спиновую систему внутри твердотельного образца воздействуют оптическим излучением и некоторым внешним воздействием, которым может быть, в частности, радиочастотное излучение, а в случае NV-центров - микроволновое излучение (см. п. 4, 9 пат. US 8947080), таким образом, чтобы вызвать прецессию электронного спина NV-центров вокруг направления измеряемого магнитного поля. Измеряют частоту этой прецессии, которая линейно зависит от измеряемого магнитного поля вследствие Зеемановского сдвига уровней энергии электронной спиновой системы. По величине Зеемановского сдвига определяют характеристики измеряемого магнитного поля.

Недостатком этого способа является использование наряду с оптическим излучением внешнего управляющего воздействия, в частности, в случае NV-центров - микроволнового излучения. Источник микроволнового излучения усложняет конструкцию, использование микроволнового излучения ограничивает область применимости способа, т.к. в ряде случаев его использование может быть затруднено или может приводить к нежелательным воздействиям на объект исследования.

Существуют способы измерения магнитного поля с использованием NV-центров в алмазе без использования микроволнового излучения. В частности, известен способ, основанный на эффекте антипересечения подуровней основного состояния (А. Wickenbrock, Н. Zheng, L. Bougas, N. Leefer, S. Afach, A. Jarmola, V.M. Acosta, and D. Budker, «Microwave-free magnetometry with nitrogen-vacancy centers in diamond», Applied Physics Letters, V. 109, 053505 (2016)). В этом способе на кристалл алмаза с NV-центрами направляют электромагнитное излучение оптического диапазона, приводящее к спиновой поляризации NV-центров. К указанному кристаллу прикладывают дополнительное постоянное магнитное поле величиной ~102,4 мТл, ориентированное вдоль оси одной из групп NV-центров, приводящее к эффекту антипересечения подуровней основного состояния NV-центров, при этом измеряют сигнал флюоресценции. Измеряемое магнитное поле приводит к смещению подуровней основного состояния и нарушению условия антипересечения подуровней основного состояния NV-центров, что приводит к изменению сигнала флюоресценции. Этот эффект используется для определения характеристик измеряемого магнитного поля.

Недостатком этого способа является использование сильного дополнительного постоянного магнитного поля ~102,4 мТл, что ограничивает область применимости способа теми случаями, когда использование сильных магнитных полей допустимо.

Наиболее близким аналогом по технической сущности к предлагаемому способу является способ измерения характеристик магнитного поля, основанный на регистрации кросс-релаксационных резонансов на кривой зависимости сигнала флюоресценции NV-центров в алмазе от магнитного поля, который выбран в качестве прототипа (R. Akhmedzhanov, L. Gushchin, N. Nizov, V. Nizov, D. Sobgayda, I. Zelensky, P. Hemmer «Microwave-free magnetometry based on cross-relaxation resonances in diamond)), Physical Review A 96, 013806 (2017)). Возникновение кросс-релаксационных резонансов связано с взаимодействием различных групп NV-центров, отличающихся ориентацией осей, при совпадении соответствующих им частот переходов между подуровнями основного состояния. Частоты переходов между подуровнями основного состояния для различных групп NV-центров по-разному зависят от магнитного поля. В общем случае указанные частоты в ненулевом магнитном поле не совпадают. Однако при некоторых магнитных полях возможно совпадение указанных частот для двух или нескольких групп NV-центров. Такое совпадение частот приводит к взаимодействию NV-центров и, как следствие, к кросс-релаксации и изменению сигнала флюоресценции.

Способ прототип позволяет производить измерение характеристик магнитного поля с использованием NV-центров в алмазе без использования микроволнового излучения и не требует прикладывания сильного дополнительного магнитного поля.

Способ прототип включает в себя следующие шаги. Алмазный образец, представляющий из себя кристалл алмаза с NV-центрами помещают в область измеряемого магнитного поля, направляют на указанный образец электромагнитное излучение оптического диапазона, приводящее к спиновой поляризации NV-центров, прикладывают к указанному образцу по крайней мере однократно переменное магнитное поле, ориентированное в некотором наперед заданном направлении, измеряют зависимость сигнала флюоресценции от величины переменного магнитного поля для каждого направления этого поля, регистрируют положения кросс-релаксационных резонансов, по положению указанных резонансов определяют характеристики измеряемого магнитного поля. В частном случае, когда переменное магнитное поле направлено вдоль одной из кристаллографических осей алмаза, по положению резонансов определяют проекцию измеряемого поля на направление переменного магнитного поля и величину измеряемого магнитного поля. При необходимости проводят измерения, последовательно ориентируя переменное магнитное поле вдоль каждой из трех кристаллографических осей алмаза, при этом определяют направление и величину измеряемого магнитного поля.

К недостаткам способа прототипа относится необходимость точной ориентации переменного магнитного поля относительно кристаллографических осей алмаза, что усложняет техническую реализацию. Кроме того для повышения точности измерений магнитного поля требуется увеличение сигнала флюоресценции. При прочих равных условиях интенсивность сигнала флюоресценции пропорциональна объему области, с которой собирается флюоресценция, который ограничен размерами образца. Таким образом, для повышения чувствительности измерений требуется увеличение размера образца. Монокристаллические образцы алмаза, особенно большого размера, достаточно дороги.

Задачей, решаемой настоящим изобретением, является упрощение и удешевление технической реализации способа измерения характеристик магнитного поля, основанного на регистрации кросс-релаксационных резонансов на кривой зависимости сигнала флюоресценции NV-центров в алмазе от магнитного поля.

Технический результат в разработанном способе измерения характеристик магнитного поля, как и в способе прототипе, достигается за счет того, что алмазный образец с NV-центрами помещают в область измеряемого магнитного поля, направляют на указанный образец электромагнитное излучение оптического диапазона, приводящее к спиновой поляризации NV-центров, прикладывают по крайней мере однократно к указанному образцу переменное магнитное поле, ориентированное в некотором наперед заданном направлении, измеряют зависимость сигнала флюоресценции от величины переменного магнитного поля.

Новым в разработанном способе измерения характеристик магнитного поля является то, что в качестве алмазного образца используют поликристаллический алмаз с NV-центрами со случайной ориентацией осей. При этом в зависимости сигнала флюоресценции от величины переменного магнитного поля регистрируют единственный кросс-релаксационный резонанс.По положению указанного резонанса определяют проекцию измеряемого магнитного поля на заданное направление переменного магнитного поля.

Разработанный способ, в отличие от способа прототипа, не требует какой-либо определенной ориентации переменного магнитного поля относительно алмазного образца, что упрощает техническую реализацию. Поликристаллические образцы алмаза со случайной ориентацией осей могут быть существенно дешевле аналогичных по размеру монокристаллических образцов алмаза, особенно в случае большого размера образца, необходимого для высокоточных измерений, что удешевляет техническую реализацию способа.

Предложенный авторами способ измерения характеристик магнитного поля, как и способ прототип, основан на регистрации кросс-релаксационных резонансов в сигнале флюоресценции NV-центров в алмазе. Известно (R. Akhmedzhanov, L. Gushchin, N. Nizov, V. Nizov, D. Sobgayda, I. Zelensky, P. Hemmer «Microwave-free magnetometry based on cross-relaxation resonances in diamond», Physical Review A 96, 013806 (2017)), что при сканировании приложенного к кристаллу алмаза с NV центрами переменного магнитного поля, в присутствии измеряемого магнитного поля, во флюоресценции наблюдаются кросс-релаксационные резонансы, связанные с взаимодействием четырех групп NV-центров, отличающихся ориентацией осей относительно кристаллографических осей алмаза.

Положения кросс-релаксационных резонансов на кривой сигнала флюоресценции от величины переменного магнитного поля зависят от измеряемого магнитного поля, что может быть использовано для определения характеристик измеряемого магнитного поля. Положения резонансов также зависят от ориентации переменного магнитного поля относительно кристаллографических осей алмаза.

Авторами предлагается использовать для измерений поликристаллический алмаз с NV-центрами со случайной ориентацией осей. В этом случае сигнал флюоресценции представляет собой усредненный сигнал от различных зерен поликристалла. При этом, как установлено авторами, в зависимости сигнала флюоресценции от величины переменного магнитного поля наблюдается один единственный кросс-релаксационный резонанс. Положение указанного резонанса позволяет определить проекцию измеряемого магнитного поля на заданное направление переменного магнитного поля.

В частном случае реализации способа измерения характеристик магнитного поля целесообразно последовательно приложить к указанному образцу переменное магнитное поле, ориентированное в трех некомпланарных направлениях, и измерять зависимость сигнала флюоресценции от величины переменного магнитного поля для каждого направления этого поля. При этом также при каждом измерении в зависимости сигнала флюоресценции от величины переменного магнитного поля регистрируют единственный кросс-релаксационный резонанс, по положениям указанных резонансов определяют проекции измеряемого магнитного поля на три заданных некомпланарных направления, что в итоге позволяет определить направление и величину измеряемого магнитного поля.

Разработанный способ поясняется следующими чертежами:

На фиг. 1 представлена схема возможной технической реализации разработанного способа в соответствии с п. 1. формулы.

На фиг. 2 представлена зависимость сигнала флюоресценции от величины переменного магнитного поля при реализации разработанного способа в соответствии с п. 1 или п. 2 формулы.

Возможны различные технические реализации разработанного способа. Схема одной из возможных технических реализаций разработанного способа представлена на фиг. 1. Она содержит алмазный образец 1, в качестве которого используют поликристаллический алмаз с NV-центрами со случайной ориентацией осей, лазер 2, соленоид 3, светофильтр 4 и фото детектор 5.

Способ измерения магнитного поля в соответствии с п. 1 формулы с помощью схемы, представленной на фиг. 1, осуществляют следующим образом.

Алмазный образец 1, в качестве которого используют поликристаллический алмаз с NV-центрами со случайной ориентацией осей помещают в область измеряемого магнитного поля В качестве лазера 2 можно использовать широко распространенный лазер с длиной волны 532 нм. Излучение лазера 2 направляют на алмазный образец 1. С помощью соленоида 3 к алмазному образцу 1 с NV-центрами прикладывают переменное магнитное поле изменяющееся во времени по некоторому, например, гармоническому закону и ориентированное в некотором наперед заданном направлении Сигнал флюоресценции от NV-центров после прохождения через светофильтр 4, с помощью которого отфильтровывают излучение лазера 1, регистрируют с помощью фото детектора 5. Измеряют зависимость сигнала флюоресценции от величины переменного магнитного поля (см. фиг. 2). На данной зависимости регистрируют положение кросс-релаксационного резонанса b. По положению указанного резонанса определяют проекцию измеряемого магнитного поля В_х на направление переменного магнитного поля

Для полного и однозначного измерения величины и направления магнитного поля в соответствии с п. 2 следует провести три измерения с различными некомпланарными направлениями переменного магнитного поля и

В первом измерении переменное магнитное поле направляют вдоль направления Измеряют зависимость сигнала флюоресценции от величины переменного магнитного поля На данной зависимости регистрируют положение кросс-релаксационного резонанса b_х. По положению указанного резонанса определяют проекцию измеряемого магнитного поля на направление переменного магнитного поля

Во втором измерении переменное магнитное поле направляют вдоль направления Измеряют зависимость сигнала флюоресценции от величины переменного магнитного поля. На данной зависимости регистрируют положение кросс-релаксационного резонанса b_у. По положению указанного резонанса определяют проекцию измеряемого магнитного поля на направление переменного магнитного поля

В третьем измерении переменное магнитное поле направляют вдоль направления Измеряют зависимость сигнала флюоресценции от величины переменного магнитного поля. На данной зависимости регистрируют положение кросс-релаксационного резонанса b_z. По положению указанного резонанса определяют проекцию измеряемого магнитного поля на направление переменного магнитного поля

В результате указанные три измерения по п. 2 способа позволяют определить проекции магнитного поля В_х, В_у, В_z на три некомпланарных направления и а, следовательно, величину и направление измеряемого магнитного поля

Таким образом, при измерении по п. 1 на зависимости сигнала флюоресценции от величины переменного магнитного поля регистрируют единственный кросс-релаксационный резонанс, положение которого позволяет непосредственно определить проекцию измеряемого магнитного поля на заданное направление переменного магнитного поля. При этом не требуется какой-либо определенной ориентации переменного магнитного поля относительно алмазного образца. Это упрощает процедуру измерения по сравнению со способом прототипом. При измерении по п 2 для полного определения магнитного поля также не требуется ориентировать переменное магнитное вдоль каждой из трех кристаллографических осей алмаза, можно использовать три произвольных некомпланарных направления, что существенно упрощает процедуру измерения.

Кроме того поликристаллические образцы алмаза со случайной ориентацией осей существенно дешевле аналогичных по размеру монокристаллических образцов алмаза.

Таким образом, задача удешевления и упрощения способа измерения характеристик магнитного поля решена.

1. Способ измерения характеристик магнитного поля, включающий помещение алмазного образца с NV-центрами в область измеряемого магнитного поля, направление на указанный образец электромагнитного излучения оптического диапазона, приводящего к спиновой поляризации NV-центров, прикладывание по крайней мере однократно к указанному образцу переменного магнитного поля, ориентированного в некотором наперед заданном направлении, измерение зависимости сигнала флюоресценции от величины переменного магнитного поля, отличающийся тем, что в качестве алмазного образца используют поликристаллический алмаз с NV-центрами со случайной ориентацией осей, при этом в зависимости сигнала флюоресценции от величины переменного магнитного поля регистрируют единственный кросс-релаксационный резонанс, по положению указанного резонанса определяют проекцию измеряемого магнитного поля на заданное направление переменного магнитного поля.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что переменное магнитное поле последовательно ориентируют вдоль трех некомпланарных направлений, при этом при каждом измерении в зависимости сигнала флюоресценции от величины переменного магнитного поля регистрируют единственный кросс-релаксационный резонанс, по положениям указанных резонансов определяют направление и величину измеряемого магнитного поля.