基于固态自旋复合体系的电磁测量方法及装置制造方法及图纸

本发明专利技术提供了一种基于固态自旋复合体系的电磁测量方法，包括：对固态自旋复合体系施加稳恒磁场，其中，固态自旋复合体系由基于固态自旋的磁敏感单元与磁电耦合材料组成；对磁敏感单元施加激发光和操控场，得到预处理复合体系；将预处理复合体系置于待测磁场中，对磁电耦合材料施加调制场，以对待测磁场进行测量；将预处理复合体系置于待测电场中，以对待测电场进行测量。本发明专利技术提供的电磁测量方法具有更高的灵敏度，且实现了低频噪声抑制。且实现了低频噪声抑制。且实现了低频噪声抑制。

【技术实现步骤摘要】
基于固态自旋复合体系的电磁测量方法及装置


[0001]本专利技术涉及磁场测量和电场测量方法的
，具体涉及一种基于固态自旋复合体系的电磁测量方法及装置。

技术介绍

[0002]磁场测量是指对空间或磁性材料中磁通、磁通密度、磁通势、磁场强度等的测量。空间的磁通密度与磁场强度成比例关系，空间磁场强度的测量，实质上也是磁通密度的测量。其中，微弱磁场测量在地磁导航、地质资源勘探、科学研究、国防建设与医疗仪器等领域都有广泛应用。现阶段用于微弱磁场测量的传感器类型较多，主要包括磁通门传感器、探测线圈传感器、磁阻传感器、巨磁阻抗磁传感器、量子超导干涉仪、基于固态自旋的磁传感器等。其主要存在灵敏度低、空间分辨率低、使用条件苛刻、成本较高等问题。
[0003]电场测量是指电场强度的测量。为获得各种传播数据和参量供无线电路进行正确设计，需要对接收地点的电场强度进行测量。电场强度的测量在解决电磁兼容问题时亦是一项重要工作。在现有技术中，利用逆压电效应测量电场的方法的电场测量灵敏度为20V/m/√Hz。其灵敏度较低，需要一种灵敏度更高的测量方法。

技术实现思路

[0004]鉴于上述问题，本专利技术提供了基于固态自旋复合体系的电磁测量方法及装置。
[0005]根据本专利技术的第一个方面，提供了一种基于固态自旋复合体系的电磁测量方法，包括：对固态自旋复合体系施加稳恒磁场，其中，固态自旋复合体系由基于固态自旋的磁敏感单元与磁电耦合材料组成；对磁敏感单元施加激发光和操控场，得到预处理复合体系；将预处理复合体系置于待测磁场中，对磁电耦合材料施加调制场，以对待测磁场进行测量；将预处理复合体系置于待测电场中，以对待测电场进行测量。
[0006]根据本专利技术的实施例，磁敏感单元为基于固态自旋的磁敏感单元，基于固态自旋的磁敏感单元为包含NV色心系综的金刚石。
[0007]根据本专利技术的实施例，磁电耦合材料的磁学性质可以被作用于其上的电场调控。
[0008]根据本专利技术的实施例，对磁电耦合材料施加调制场包括：将信号发生器连接于磁电耦合材料；通过信号发生器对磁电耦合材料施加调制场，其中，调制场为交变电场。
[0009]根据本专利技术的实施例，对磁敏感单元施加激发光和操控场，得到预处理复合体系包括：对磁敏感单元施加预设波长和预设光强的激发光，以对磁敏感单元进行连续激发；对磁敏感单元施加预设频率和预设磁场强度的操控场，得到预处理复合体系。
[0010]根据本专利技术的实施例，通过检测自旋系综产生特征信号周期振荡幅度的变化对所述待测磁场进行测量包括：所述特征信号为磁敏感单元发出的荧光信号；测得荧光信号强度的周期性变化幅度；根据同频参考信号解调荧光强度周期性变化幅度，实现测量待测磁场。
[0011]根据本专利技术的实施例，通过检测自旋系综产生特征信号的变化对所述待测电场进
应包括但不限于单独具有A、单独具有B、单独具有C、具有A和B、具有A和C、具有B和C、和/或具有A、B、C的系统等)。
[0027]为解决上述磁场测量和电场测量中的一系列问题，本专利技术提出了一种基于固态自旋复合体系的电磁测量方法及装置。其中，采用的固态自旋复合体系由基于固态自旋的磁敏感单元和磁电耦合材料制备而成，可选的，将基于固态自旋的磁敏感单元与磁电耦合材料制备成上下两层的固态自旋复合体系。利用磁电耦合材料磁学性质可被电场调控的特点，通过作用于其上的电场改变磁场空间的分布，并由磁敏感单元进行探测，实现基于磁通调制的磁场测量。并通过磁敏感单元测得特征信号反解实现电场测量。
[0028]磁电耦合材料具有磁电效应，磁电效应指材料磁化强度和电极化强度的耦合。磁电耦合材料电极化强度可以被磁场调控，称为正磁电效应；相应的，其磁化强度可以被电场调控，称为逆磁电效应。磁电耦合材料在信息存储方面具有广泛应用。磁通调制指通过某种手段改变磁通大小和频率的技术。利用磁通调制技术可以将磁场调制为特定幅度、特定频率的交变磁场。其在磁场测量方面的应用主要包括利用磁通调制技术抑制磁场测量装置低频噪声以及利用磁通调制技术增加磁场测量装置工作模式等。
[0029]在外磁场的作用下，基于固态自旋的磁敏感单元中的电子的能级会根据自旋量子数的不同发生劈裂，原本的单个能级将劈裂为若干个磁次能级，称为塞曼效应。基于磁共振原理，当从外部施加特定频率的电磁场时，电子可以在不同的磁次能级之间跃迁。磁共振现象指物质中自旋磁矩不为0时，在固定磁场作用下的自旋磁矩对特定频率电磁场的辐射能进行吸收的现象。磁共振现象可应用于对物质的结构和成分的无损探测以及对外界的物理量的测量。
[0030]参见图1，图1示意性示出了本专利技术基于固态自旋复合体系的电磁测量方法的流程图，可分别实现电场或磁场中的一类测量，包括步骤S101～S104：
[0031]在步骤S101中，对固态自旋复合体系施加稳恒磁场，其中，固态自旋复合体系由基于固态自旋的磁敏感单元与磁电耦合材料组成。
[0032]在步骤S102中，对磁敏感单元施加激发光和操控场，得到预处理复合体系。激发光使磁敏感单元中自旋系综在基态与激发态之间跃迁，操控场使磁敏感单元中自旋系综的两个能级间发生共振。
[0033]在步骤S103中，将预处理复合体系置于待测磁场中，对磁电耦合材料施加调制场，以对待测磁场进行测量。其中，对待测磁场进行测量包括：保持操控场、激发光以及稳恒磁场不变，对磁电耦合材料施加调制场，在待测磁场作用下，磁敏感单元中自旋系综塞曼劈裂能级差产生周期变化，通过检测自旋系综产生特征信号周期振荡幅度的变化对待测磁场进行测量。
[0034]在步骤S104中，将预处理复合体系置于待测电场中，以对待测电场进行测量。其中，对待测电场进行测量包括：保持操控场、激发光以及稳恒磁场不变，在待测电场作用下，磁敏感单元中自旋系综塞曼劈裂能级差改变，通过检测自旋系综产生特征信号的变化对待测电场进行测量。
[0035]在本专利技术一实施例中，固态自旋复合体系由基于固态自旋的磁敏感单元与磁电耦合材料组成。在步骤S101中，对固态自旋复合体系施加预设强度的稳恒磁场，在该预设强度的稳恒磁场作用下，磁电耦合材料被极化，磁敏感单元中自旋系综的能级发生塞曼劈裂，能
级简并解除，即单个能级将劈裂为若干个磁次能级。基于固态自旋的磁敏感单元为包含NV色心系综的金刚石。
[0036]金刚石中氮
‑
空位(NV)色心自旋体系是一种优良的固态自旋体系。NV色心中电子自旋对弱磁场十分敏感，其室温下量子相干时间可达毫秒量级，且具有良好的光学极化和读出特性。NV色心电子自旋量子数S＝1。由于自旋
‑
自旋相互作用，在没有外磁场时，NV色心电子自旋的m
s
＝0和m
s
＝
±
1能级也会发生劈裂，称为零场劈裂。在外加磁场的情况下，由于塞曼效应，m
s
＝
±
1能级间同样会发生劈裂，劈裂大小依赖于外磁场大小，因此，可以通过检测m
s
...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于固态自旋复合体系的电磁测量方法，其特征在于，包括：对固态自旋复合体系施加稳恒磁场，其中，所述固态自旋复合体系由磁敏感单元与磁电耦合材料组成；对所述磁敏感单元施加激发光和操控场，得到预处理复合体系，所述激发光使所述磁敏感单元中自旋系综在基态与激发态之间跃迁，所述操控场使所述磁敏感单元中自旋系综的两个能级间发生共振；将所述预处理复合体系置于待测磁场中，保持所述操控场、所述激发光以及所述稳恒磁场不变，对所述磁电耦合材料施加调制场，在所述待测磁场作用下，所述磁敏感单元中自旋系综塞曼劈裂能级差产生周期变化，通过检测自旋系综产生特征信号周期振荡幅度的变化对所述待测磁场进行测量；将所述预处理复合体系置于待测电场中，保持所述操控场、所述激发光以及所述稳恒磁场不变，在所述待测电场作用下，所述磁敏感单元中自旋系综塞曼劈裂能级差改变，通过检测自旋系综产生特征信号的变化对所述待测电场进行测量。2.根据权利要求1所述的测量方法，其特征在于，所述磁敏感单元为基于固态自旋的磁敏感单元，所述基于固态自旋的磁敏感单元为包含NV色心系综的金刚石。3.根据权利要求1所述的测量方法，其特征在于，所述磁电耦合材料的磁学性质可以被作用于其上的电场调控。4.根据权利要求1所述的测量方法，其特征在于，所述对所述磁电耦合材料施加调制场包括：将信号发生器连接于所述磁电耦合材料；通过信号发生器对所述磁电耦合材料施加所述调制场，其中，所述调制场为交变电场。5.根据权利要求1所述的测量方法，其特征在于，所述对所述磁敏感单元施加激发光和操控场，得到预处理复合体系包括：对所述磁敏感单元施加预设波长和预设光强的激发光，以对所述磁敏感单元进行连续激发；对所述磁敏感单元施加预设频率和预设磁场强度的操控场，得到预处理复合体系。...

【专利技术属性】
技术研发人员：谢才津，荣星，谢一进，朱云彬，杜江峰，
申请(专利权)人：中国科学技术大学，
类型：发明
国别省市：