[發(fā)明專利]微波掃描共振的固態(tài)自旋系綜定位與濃度測量裝置

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201710312682.3
• 申請日: 2017-05-05
• 公開（公告）號: CN107271456B
• 公開（公告）日: 2019-08-09
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 馬宗敏;劉俊;唐軍;石云波;袁華;曲章;武興盛
• 申請（專利權(quán)）人: 中北大學(xué)
• 主分類號: G01N22/00
• 分類號: G01N22/00
• 代理公司: 太原科衛(wèi)專利事務(wù)所(普通合伙) 14100
• 代理人: 朱源;武建云

本發(fā)明面向量子傳感的固態(tài)自旋微弱信息檢測，具體是一種微波掃描共振的新型固態(tài)自旋系綜定位與濃度測量裝置。該裝置主要由精密測量單元，自旋微波定位控制模塊和微波掃描共振自旋濃度測量模塊組成。提出利用自旋定位、微波共振的三維濃度掃描測量，采用探針自旋定位技術(shù)實現(xiàn)自旋的精確定位，可以進行自旋系綜的均勻性測量；同時利用微波共振三維濃度掃描測量方法，能夠得到固態(tài)自旋濃度三維濃度的高精度測量。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于量子傳感的固態(tài)自旋微弱信息檢測領(lǐng)域，具體是一種微波掃描共振的固態(tài)自旋系綜定位與濃度測量裝置。

背景技術(shù)

近年來，隨著光與原子分子物理、量子技術(shù)的不斷發(fā)展，以及信息科學(xué)領(lǐng)域關(guān)鍵技術(shù)的突破，以量子導(dǎo)航、量子計算、量子雷達、量子通信與量子衛(wèi)星為代表的量子技術(shù)依靠其抗干擾性強、探測距離超長、保密性高、芯片集成的高精度化等優(yōu)勢正在成為下一代國家戰(zhàn)略與精密測量領(lǐng)域的顛覆性技術(shù)。

量子調(diào)控技術(shù)以及微納加工技術(shù)的迅速發(fā)展，表現(xiàn)在以金剛石氮空位(NV)色心量子體系為代表的固體磁共振力/磁參量傳感測量靈敏度已經(jīng)突破了人類傳統(tǒng)認知的極限(力測量：fN；磁測量：aT)，并且測量單元微小化、測量系統(tǒng)芯片化的趨勢也愈加明顯。在空間飛行器、導(dǎo)彈的姿態(tài)和軌道控制，地球磁場梯度測量，長航時高精度導(dǎo)航等尖端技術(shù)領(lǐng)域，加速度、角速度、磁場等參量的測量具有廣闊的應(yīng)用前景。

在以往關(guān)于自旋的研究中，采用紅外/拉曼光譜的方式，只能得到自旋濃度的定性與半定量分析；同時由于光斑尺寸問題，對自旋系綜的均勻性指標，還沒有更好的方法。而三維固態(tài)自旋系綜濃度是影響量子傳感精度的關(guān)鍵因素之一，研究自旋濃度的確定性測量與均勻性表征是實現(xiàn)自旋系綜量子空間分布的關(guān)鍵。

綜上所述，面向量子傳感的固態(tài)自旋系綜定位與濃度測量裝置，有望為未來的量子傳感器件、量子計算機、新型自旋材料開發(fā)提供基本的測量手段。由于自旋屬性的復(fù)雜性，自旋信息極其微弱，背景噪聲大，因此，需要提出新的自旋系綜濃度測量方法與思路，重點研究原子力顯微自旋定位的均勻度測量與微波共振自旋系綜的定量表征理論與方法模型，開發(fā)關(guān)鍵技術(shù)，提高系統(tǒng)的靈敏度、降低噪聲，實現(xiàn)自旋系綜濃度測量。

本發(fā)明裝置就是基于這樣的研究熱點，通過解決自旋系綜濃度測量關(guān)鍵問題，研制出新一代面向量子傳感的固態(tài)自旋系綜測量裝置，為科學(xué)研究提供更新穎、更先進的手段和工具。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明提出利用自旋定位、微波共振的三維濃度掃描測量，采用探針自旋定位技術(shù)實現(xiàn)自旋的精確定位，可以進行自旋系綜的均勻性測量；同時利用微波共振三維濃度掃描測量方法，能夠得到固態(tài)自旋濃度三維濃度的高精度測量。

本發(fā)明是采用如下技術(shù)方案實現(xiàn)的：

一種微波掃描共振的固態(tài)自旋系綜定位與濃度測量裝置，包括自旋微波定位控制單元、微波掃描共振自旋濃度測量控制單元和測量單元。

所述測量單元包括測量單元底座，所述測量單元底座上安裝樣品位置控制器和探針位置控制器；所述樣品位置控制器上安裝樣品掃描筒座，所述樣品掃描筒座上安裝樣品掃描筒，所述樣品掃描筒前端安裝樣品臺，所述樣品臺上放置樣品，所述樣品臺上位于樣品一側(cè)放置激光囚禁增強腔，所述樣品周圍放置激光反射鏡，所述激光反射鏡將樣品發(fā)出的熒光聚集到一個方向經(jīng)過濾波片濾光后輸入至光電檢測器；所述探針位置控制器上安裝探針座，所述探針座上安裝諧振腔，所述諧振腔同軸安裝探針，所述探針從諧振腔的端壁孔中伸出，所述探針前端安裝壓電陶瓷振動針尖；所述探針臺和樣品臺下方分別設(shè)有磁石。

所述自旋微波定位控制單元包括前置放大器，所述前置放大器輸入端與光電檢測器輸出端連接、其輸出端連接放大濾波器輸入端，所述放大濾波器輸出端并聯(lián)鎖相環(huán)輸入端和幅值控制器輸入端，所述鎖相環(huán)的輸出信號一路與幅值控制器的輸出信號結(jié)合作為控制信號A反饋至測量單元的樣品位置控制器、另一路同時輸入至數(shù)據(jù)分析模塊I和Z方向位置控制器，所述Z方向位置控制器輸出控制信號B至測量單元的探針位置控制器。