[发明专利]纳米级扫描传感器

权利要求书

1.一种系统，包括：

感测探头，所述感测探头由包括被构造为发射荧光的一个或多个自旋缺陷的金刚石材料形成，所述一个或多个自旋缺陷位于离所述感测探头的感测表面不超过50nm，所述感测探头还包括由所述金刚石材料形成的光学解耦结构，所述光学解耦结构被构造为光学地将所述一个或多个自旋缺陷发射的荧光引向所述光学解耦结构的输出端；

光学激发源，所述光学激发源被构造为产生朝向所述一个或多个自旋缺陷的、使所述一个或多个自旋缺陷发荧光的激发光；

光学探测器，所述光学探测器被构造为探测所述荧光，所述荧光从所述一个或多个自旋缺陷发射，并且在被光学地引导通过所述光学解耦结构之后通过所述光学解耦结构的输出端出射；和

安装系统，所述安装系统被构造为保持所述感测探头，并且在允许所述感测探头的感测表面与样本表面之间的相对运动的同时控制所述感测探头的感测表面与样本的表面之间的距离。

2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述一个或多个自旋缺陷位于离所述感测探头的感测表面不超过40nm(纳米)、30nm、20nm、15nm、12nm或10nm。

3.根据权利要求1所述的系统，其中，所述一个或多个自旋缺陷是NV(氮-空位)缺陷。

4.根据权利要求1所述的系统，其中，所述一个或多个自旋缺陷的退相干时间大于10μsec、50μsec、100μsec、200μsec、300μsec、500μsec或700μsec。

5.根据权利要求1所述的系统，其中，包括所述光学解耦结构的所述感测探头由具有长度大于1μm的至少一个线性尺寸的金刚石组件形成。

6.根据权利要求1所述的系统，其中，包括所述光学解耦结构的所述感测探头由单晶金刚石材料形成。

7.根据权利要求1所述的系统，其中，所述光学解耦结构由下列之一形成：纳米柱；固体浸没透镜；或者经由内反射形成。

8.根据权利要求7所述的系统，其中，所述光学解耦结构由纳米柱形成。

9.根据权利要求8所述的系统，其中，所述纳米柱具有100nm与300nm之间的直径、以及0.5μm与5μm之间的长度。

10.根据权利要求8所述的系统，其中，所述纳米柱大部分沿着晶轴对齐，所述晶轴包括下列之一：<111>轴；<110>轴；以及<100>轴。

11.根据权利要求1所述的系统，其中，所述安装系统包括AFM(原子力显微镜)。

12.根据权利要求1所述的系统，包括耦合到所述安装系统并且被构造为光学地寻址并且读出所述一个或多个自旋缺陷的光学显微镜。

13.根据权利要求12所述的系统，其中，所述光学显微镜是与AFM集成的共焦显微镜。

14.根据权利要求1所述的系统，还包括微波源，并且其中，所述微波源被构造为产生调谐为所述自旋缺陷中的至少一个的共振频率的微波。

15.根据权利要求14所述的系统，其中，所述一个或多个自旋缺陷是NV缺陷，并且其中，所述系统被构造为通过测量所述NV缺陷的自旋状态的Zeeman偏移来探测外部磁场。

16.根据权利要求15所述的系统，其中，所述微波包括自旋去耦脉冲序列，并且其中，所述序列包括下列中的至少一个：

Hahn自旋回波脉冲序列；

CPMG(Carr Purcell Meiboom Gill)脉冲序列；

XY脉冲序列；和

MREVB脉冲序列。

17.根据权利要求1所述的系统，其中，所述系统被构造为具有好于200、100、75、60、50、25、10或5nT Hz^-1/2的AC磁场探测灵敏度。

18.根据权利要求17所述的系统，其中，所述探测灵敏度处于33kHz与10MHz之间的频率。

19.根据权利要求1所述的系统，其中，所述系统被构造为具有好于50、20、10、6、4、1或0.5μT Hz^-1/2的DC磁场探测灵敏度。