【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及利用电子塞曼(zeeman)效应的设备领域，特别是包含金刚石材料的设备。
技术介绍
1、诸如磁力计之类的传感器设备可以使用单晶金刚石传感器来形成，该传感器在其晶格中包含自旋缺陷。自旋缺陷的示例是氮空位(nv)中心。在wo2009/073736和us2010/0315079中描述了示例性磁力计。
2、基于自旋的磁场传感器原理的一个关键方面是电子塞曼效应，它描述了缺陷中不成对电子的磁偶极矩与磁场之间的相互作用。在诸如电子自旋(s)为1的金刚石nv中心之类的缺陷中，这会导致基态自旋能级(ms±1)的能量分裂，该能量分裂与沿着缺陷的<111>对称轴投影的磁场成比例。这种能量分裂可以通过扫描所施加的射频(rf)频率同时用绿光光学激发缺陷并检测nv相关发光程度(光学检测的磁谐振或odmr模态)或通过测量生成的光电流(光检测磁谐振，或pdmr)来测量。利用这种能量分裂的认知，然后可以确定磁场。
3、磁力计通常使用偏置磁体来施加固定且已知的磁场。该偏置磁场有不同的用途，这取决于所使用的确切方法。
4、在利用微波频率波的静态或时变应用的实施方式(称为实施方式1)中，偏置场(bbias)用于在频率上分离两个δms±1跃迁，以及(最多)四对与nv中心可能占据的(最多)四个对称相关位点(四个允许的<111>轴)相关联的线。以这种方式，谐振线在频率上充分分离，使得(最多)八组谐振线中的每一组都可以被单独寻址，如图1中所示，其中磁场沿着(18，29)度(球面极theta(θ)，phi
5、使用金刚石中的nv中心的磁场传感器的替代方法(称为实施方式2)无需应用微波(“无rf”技术)，这在一些应用中具有优势，特别是那些关注在低温下进行测量的应用。这是因为rf的应用会导致发热。在这种情况下，需要bbias＝102.4mt的精确偏置场，以便利用三重态基态中的能级反交叉，其减少nv中心的发光输出。磁场的变化(假设是由于bunknown的变化)然后导致发光增加。
6、电子-塞曼相互作用和已知静磁场的应用对于固态材料中自旋缺陷的其它感测模式/使用情况也至关重要。例如，金刚石中的nv也已被证明作为rf频谱分析仪，其中在金刚石板上设置磁场梯度，如wo2016/066532中所描述的。通过测量作为跨金刚石样品的位置的函数的发光(对应于变化b)，可以解析入射到金刚石样品上的rf频率的频谱。
7、此外，金刚石还被证明作为利用nv中心(在us20170077665a1中描述)和塞曼相互作用的微波激射器(maser)。在这种情况下，受控磁场与谐振器组合被用于调谐所生成微波的发射频率。
技术实现思路
1、nv中心在用于磁力测量时被描述为一种“免校准”的磁场测量手段。但是，从上面的描述可以认识到，在这两种情况下，bbias必须是已知的并且必须是稳定的，因为nv中心测量是btotal，并且bunknown是通过使用从btotal减去bbias来测量的。
2、由于其高磁通密度/重量，通常在此类设置中利用一个/多个永磁体(通常由钕(nefeb)制成)来提供bbias。由于设置的尺寸和简单性以及短期稳定性，这可能优于使用电磁线圈。电磁线圈生成稳定的bbias需要稳定的电流源。
3、已经认识到需要考虑金刚石温度的变化。但是，之前没有考虑过的一个领域是温度变化的问题及其对bbias的影响。随着环境温度的变化，永磁体的磁场会表现出对应的可逆变化。
4、考虑实施方式1，nefeb磁体在低于退磁温度(例如，-130℃至80℃)的温度下表现出～0.12％/℃的磁场变化。取1mt的bbias值，这意味着0.1℃的温度变化将使bbias改变120nt。对于在一段时间内测量btotal的基于nv的金刚石传感器，例如用于导航或拒绝gps应用，这将导致bunknown出现这个数量级的测量误差。对于许多应用来说，通过定期将传感器放入屏蔽盒中来重复“调零”过程既不理想也不实用。
5、对于实施方式2中描述的一些无rf应用，由于设置，温度稳定性可能比实施方式1更好。例如，无rf应用可以用于低温恒温器中进行受控低温测量。但是，在非温控情况下，随着所需磁场的增加，对bbias不稳定性的影响可能会更加严重；在这种情况下，0.1℃的偏移会使bbias改变>0.012mt。
6、因此，认识到为了使用金刚石中的nv中心生产长期稳定且无漂移的磁场传感器，还需要稳定的偏置场，或者必须以独立的方式补偿/测量bbias随温度变化的影响。目的是提供该问题的解决方案。
7、在前面讨论的其它感测方式/用途中，稳定的施加磁场也至关重要。例如，在rf频谱分析仪的情况下，所施加的磁场梯度的稳定性会影响测量的微波频率的准确性，而在maser的情况下，静态场会影响发射微波的效率和稳定性。
8、根据第一方面，提供了一种利用电子塞曼分裂效应的设备。该设备包括包含至少一种自旋缺陷的固态材料。该设备还包括被配置为生成偏置磁场的磁场发生器，以及用于补偿温度变化对偏置磁场的影响的补偿系统。这确保了在温度变化影响偏置磁场的情况下，补偿确保设备仍然可以给出准确的读数。该补偿系统包括温度传感器，该温度传感器被配置为测量磁场发生器的温度和温度变化中的任何一个。该补偿系统还包括计算机设备，该计算机设备被配置为确定由于所测量的温度或所测量的温度变化的变化而引起的偏置磁场的变化，该计算机设备还被配置为使用所确定的偏置磁场的变化来调整预定的偏置磁场值并且使用该值作为补偿系统的输入来补偿温度变化对偏置磁场的影响。这种补偿不会直接改变偏置磁场发生器的任何参数，而只是使用计算出的值来考虑偏置磁场的变化。
9、合适的固态材料的示例包括金刚石材料和碳化硅。
10、在固态材料是金刚石材料的示例中，金刚石材料可以选自纳米晶体、块状金刚石样品或包括具有不同性质的金刚石区域的复合金刚石样品中的任意一种。
11、作为选项，自旋缺陷选自带负电的氮空位中心、硅空位中心、镍相关缺陷、铬相关缺陷、锡空位中心和锗空位中心中的任意一种。
12、在可选的实施例中，固态材料是温度传感器，固态材料与磁场发生器处于热平衡，并且温度的变化由自旋缺陷的零场分裂值的漂移确定。
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1.一种利用电子塞曼分裂效应的设备，所述设备包括：
2.根据权利要求1所述的设备，其中所述固态材料选自金刚石材料和碳化硅中的任意一种。
3.根据权利要求1所述的设备，其中所述固态材料是金刚石材料，所述金刚石材料选自纳米晶体、块状金刚石样品或包括具有不同性质的金刚石区域的复合金刚石样品中的任意一种。
4.根据权利要求3所述的设备，其中所述自旋缺陷选自带负电的氮空位中心、硅空位中心、镍相关缺陷、铬相关缺陷、锡空位中心和锗空位中心中的任意一种。
5.根据权利要求1至4中的任一项所述的设备，其中所述固态材料是温度传感器，所述固态材料与所述磁场发生器处于热平衡并且温度变化由自旋缺陷的零场分裂值的漂移确定。
6.根据权利要求1至4中的任一项所述的设备，还包括部署在所述固态材料和所述磁场发生器之间并且与所述固态材料和所述磁场发生器两者接触的中间材料，所述中间材料被选择为在所述固态材料和所述磁场发生器之间传导热量。
7.根据权利要求1至6中的任一项所述的设备，其中所述设备是磁力计，并且其中：
8.根据权利要求7所
9.根据权利要求7或8中的任一项所述的设备，还包括被配置为生成RF辐射的RF源。
10.根据权利要求1至6中的任一项所述的设备，其中所述设备选自磁力计、微波激射器以及RF传感器或频谱分析仪中的任意一种。
11.一种使用利用电子塞曼分裂效应的设备的方法，所述方法包括：
12.根据权利要求11所述的方法，其中所述固态材料选自金刚石材料和碳化硅中的任意一种。
13.根据权利要求11或12所述的方法，还包括使用所述固态材料来测量温度，所述固态材料与所述磁场发生器处于热平衡，并且温度变化由自旋缺陷的零场分裂值的漂移确定。
14.根据权利要求13所述的方法，还包括提供部署在所述固态材料和所述磁场发生器之间并与所述固态材料和所述磁场发生器热接触的中间材料，所述中间材料被选择为在所述固态材料和所述磁场发生器之间传导热量。
...【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】
1.一种利用电子塞曼分裂效应的设备，所述设备包括：
2.根据权利要求1所述的设备，其中所述固态材料选自金刚石材料和碳化硅中的任意一种。
3.根据权利要求1所述的设备，其中所述固态材料是金刚石材料，所述金刚石材料选自纳米晶体、块状金刚石样品或包括具有不同性质的金刚石区域的复合金刚石样品中的任意一种。
4.根据权利要求3所述的设备，其中所述自旋缺陷选自带负电的氮空位中心、硅空位中心、镍相关缺陷、铬相关缺陷、锡空位中心和锗空位中心中的任意一种。
5.根据权利要求1至4中的任一项所述的设备，其中所述固态材料是温度传感器，所述固态材料与所述磁场发生器处于热平衡并且温度变化由自旋缺陷的零场分裂值的漂移确定。
6.根据权利要求1至4中的任一项所述的设备，还包括部署在所述固态材料和所述磁场发生器之间并且与所述固态材料和所述磁场发生器两者接触的中间材料，所述中间材料被选择为在所述固态材料和所述磁场发生器之间传导热量。
7.根据权利要求1至6中的任...
【专利技术属性】
技术研发人员：A·M·埃德蒙斯，M·L·玛尔卡哈姆，PO·F·M·科拉德，
申请(专利权)人：六号元素技术有限公司，
类型：发明
国别省市：
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