[发明专利]集合固态自旋传感器的微波谐振器读出

说明书

自旋缺陷中心集合与微波谐振器之间的腔自旋相互作用的微波谐振器读出产生的保真度比光读出可能产生的保真度高几个数量级。在微波谐振器读出中，微波光子探测耦合到受待测量物理参数影响的自旋缺陷中心集合的微波谐振器。所述物理参数使所述自旋缺陷中心的谐振偏移，这又改变了所述微波谐振器的色散和/或吸收。所述微波光子探测这些色散和/或吸收变化，产生比类似的荧光测量的可视性更高、散粒噪声更低、灵敏度更好且信噪比更高的测量。另外，微波谐振器读出能够实现自旋缺陷中心集合的相干平均，并且与除金刚石中的氮空位之外的自旋系统兼容。

相关申请的交叉引用

本申请根据35 U.S.C.119(e)要求2018年8月27日提交的第62/723,113号美国申请的优先权权益，所述美国申请以全文引用的方式并入本文中。

政府支持

本发明是在美国空军授予的授权号为FA8702-15-D-0001的政府支持下完成的。政府对本发明享有一定权利。

技术领域

背景技术

固态自旋传感器采用包含色心缺陷在内的固态主体中的自旋中心缺陷来测量一个或多个物理参数或量，例如磁场、电场、温度、压力，或原子、分子或其它强子物种的存在。自旋中心缺陷是对物理量有意义的固态主体内部的点状缺陷，例如金刚石中的氮空位(NV)。可以通过光激励和微波辐射来操纵这些缺陷的量子自旋态，使得量子自旋态对物理参数敏感。

常规的固态自旋传感器操作如下。来自光辐射源的光激励辐射照射固态自旋传感器内的一个或多个色心缺陷。光激励辐射的照射使色心缺陷发出荧光，所述荧光由光传感器收集。向色心缺陷施加光激励辐射可能伴随着向色心缺陷施加微波辐射。在一些实施方案中，微波辐射用于操纵色心缺陷的量子能级(量子自旋态)之间的布居分布。

可以同时、按顺序或同时且按顺序地施加光激励辐射和微波辐射。将光和微波辐射施加到固态自旋传感器被布置成使得在发出的荧光中编码与待测量的物理量有关的信息。例如，如果用绿光(波长为495-570nm的光)和恰当的微波辐射照射含有氮空位色心缺陷的金刚石，则金刚石可能会发出红色的荧光(波长为630-850nm的光)，所述荧光对自旋中心缺陷在量子自旋态之间的布居分布进行编码。此布居分布又取决于应用于自旋中心缺陷的物理参数。因此，检测到的荧光表示自旋中心缺陷经历的物理量。当物理参数是磁场时，这种基于荧光的测量被称作光检测磁谐振(ODMR)测量。

图1示出了标准固态自旋传感器系统100，其具有固态自旋传感器110(例如，像是块状金刚石的固态主体中的自旋中心缺陷，如氮空位)、微波辐射源120、光辐射源130、光电检测器140和处理器160(例如，在计算机中)。在操作中，微波辐射源120和光辐射源130分别将微波辐射和光激励辐射施加到固态自旋传感器110。微波辐射和光激励辐射可以各自通过对应开关122、132接通或断开，所述开关可以由处理器160控制。处理器160还可以控制微波辐射和光激励辐射的各方面，例如功率和频谱含量。

当被光激励辐射激励时，固态自旋传感器110中的色心缺陷会发出荧光111，所述荧光被收集并发送到光电检测器140。光电检测器的输出表示入射到光电检测器140上的荧光111的强度，所述输出由模数转换器142数字化并发送到处理器160。处理器160使用施加的微波辐射和光激励辐射的已知时间和频谱性质以及检测到的光学荧光的强度来计算施加在固态自旋传感器110上的物理量的值。

发明内容