[发明专利]基于微波调相谱技术的金刚石色心自旋传感检测方法及系统

说明书

本发明公开了一种基于微波调相谱技术的金刚石色心自旋传感检测方法，包括如下步骤：（1）、将微波发射端（4）和微波接收端（5）对称安装在抗磁圆环（8）内侧，微波发射端（4）与微波源连接，微波接收端（5）连接FPGA的数据采集口或示波卡的信号输入端，或者，微波接收端（5）通过分口器分别连接示波卡的信号输入端和FPGA的数据采集口。本发明结合了微波调相谱技术进行金刚石色心原子共振信号的检测，用激光将电子能级激发，扫描外加磁场，利用金刚石色心基态能级对微波场的吸收作用检测微波信号的变化，用来读出色心自旋信息。本发明检测方法简便，精度高，而且消除了光路的复杂性和不稳定性，提高了原子磁共振的信噪比。

技术领域

本发明属于量子信息解算领域，具体为一种基于微波调相谱技术来对金刚石NV色心的电子自旋信息进行检测。

背景技术

由于原子核携带电荷，当原子核自旋时，会由自旋产生一个磁距，这一磁距方向与原子核的自旋方向相同，其大小与原子核的自旋角动量成正比。把金刚石置于外加磁场中，当原子核磁矩与外加磁场方向不同时，金刚石中原子核磁距会绕外磁场方向转动，类似陀螺在旋转过程的绕轴转动，为Lamor进动。原子核的进动频率与外加磁场和原子核本身的性质决定，对于某一特定原子核，在一定发得磁场中，其自旋进动频率是固定的，利用这种原理制成了原子磁共振仪器。

为了读出原子自旋的信息，用波长532nm的激光照射到金刚石表面，极化自旋，制备共振初态，接着关闭激光，然后通过微带天线将扫频微波信号施加到金刚石上，最后再次打开激光读出金刚石NV色心的原子自旋状态，此过程中，微波信号的产生是利用了在PCB板上刻蚀金属细线或是制作微带天线来辐射微波信号，这种方法对微波的损耗较大，辐射到金刚石上的微波能量很弱，也有直接将微带天线加工到金刚石表面的方法，这种方法辐射效率有所提高，但对工艺要求较高，要保证天线准确刻蚀在色心附近，而且微波辐射方向不能调整，难以直接对准NV轴，它们的共同不足还在于需要有高质量的光电转换形式的信息接收电路，需要滤除包括自然光、激发光的干扰，才能采集到高质量的光信号，然后利用单光子计数器或是光电二极管转化为电信号进行解算，在光电转换过程中，激发光会产生很强的干扰，难以滤除干净，耦合到光电探测器中，对检测信号造成噪声干扰，信噪比不高。针对运用光电转化的方式，本发明借鉴了微波CT技术，直接通过检测透射过金刚石之后的微波信息，解算发生透射后的微波能量，绘制波形，实现对共振信号的检测，去除了搭建光路的复杂系统以及各类光的干扰问题，提高了信噪比。

发明内容

本发明针对现有固体金刚石原子自旋检测方法中光路的复杂性以及对光信号读出过程存在的光干扰问题，为了提高金刚石NV色心电子自旋信息的检测精度，提出了一种基于微波调相谱技术的金刚石原子自旋信息读出方法，简化了传统使用光信号读出自旋状态方式的实验光路，解决了激发光的干扰问题，提高了信噪比。

本发明是采用如下技术方案实现的：

一种基于微波调相谱技术的金刚石色心自旋传感检测方法，包括如下步骤：

（1）、将微波发射端和微波接收端对称安装在抗磁圆环内侧，微波发射端与微波源连接，微波接收端连接FPGA的数据采集口或示波卡的信号输入端，或者，微波接收端通过分口器分别连接示波卡的信号输入端和FPGA的数据采集口；

（2）、将具有NV色心的金刚石固定在抗磁圆环中心，采用激光器发射激光照射到金刚石表面，初始化NV色心的自旋状态，使其都布局在m_s=0的状态，使金刚石完成初始化；

（3）、打开微波源，微波发射端发射微波扫频信号，设置微波场频率在2.85GHz~2.89GHz，扫频微波透过金刚石样品，微波接收端进行投射微波的吸收，微波接收端的信号进入示波卡和FPGA，示波卡实时显示图形，FPGA则对采集的信号进行数字滤波处理，并解算绘制解调图形显示在图形显示窗口；

（4）、通过观察微波的吸收峰，由此直观看出金刚石色心的电子共振谱。