[发明专利]非交换量子几何相位磁强计

说明书

本发明涉及原子磁强计，具体为一种非交换量子几何相位磁强计，包括光学激发模块、信号采集模块和反馈控制模块；其中光学激发模块包括激光器、偏振片、第一凸透镜、AOM声光调制器、第二凸透镜、第三凸透镜、金刚石、微波天线、电场线以及信号发生器；信号采集模块包括放大滤波模块、锁相放大器、数据采集卡、示波器；反馈控制模块包括PLL电路、微波源和PID控制器。本发明结合MEMS技术、光激发、量子调控等前沿技术，在激光、磁场、微波多物理场作用下对NV色心自旋态能级进行调控，通过高性能光电检测技术进行荧光数量布居变化进行收集和读取，利用微波锁频技术进行信号高性能检测，研制高性能非交换量子几何相位NV色心磁强计。

技术领域

本发明涉及原子磁强计，具体为一种非交换量子几何相位磁强计。

背景技术

原子磁强计是利用原子在磁场中分裂出的塞曼能级跃迁所构成的一种量子仪器。它们的精确度高于经典磁强计两个数量级以上，测量范围上起25T下至10^-14T,几乎覆盖了现今所能获得的磁场范围。

塞曼能级跃迁在磁共振的经典解释中可以看作自旋磁矩在磁场中的进动。塞曼跃迁频率在磁共振中称拉莫尔(Larmor)进动频率。ω_L＝γH，式中ω_L为拉莫尔频率，γ为样品的磁旋比，对于一定的自旋粒子是一个常数，H为被测磁场。可由测量频率而精确测量磁场，因而大大提高了磁场测量的精度。当自旋粒子为电子时称电子自旋共振或称电子顺磁共振，自旋粒子为原子时称核磁共振。两者都能用来测量磁场。由于电子质量比核质量小上千倍,共振频率也高上千倍。因此用电子顺磁共振测大磁场时,频率在微波段,装置比较复杂。而测小磁场时,由于线宽太大而不能得到高的精度。故在磁场测量中广泛应用的是核磁共振。

通用的磁强计技术主要有以下分类：基于密闭气室的碱金属-惰性气体原子磁强计(气态磁强计)，SQUID磁强计以及基于固态自旋的磁强计。

气态磁强计由密闭气室的碱金属和惰性气体原子组成核心单元，当受到外部光束照射时，内部原子完成光泵浦过程，吸收能量向高能级跃迁，经一段时间以后回落至低能态。在这个过程中，如果有外部场作用，能级发生偏移，通过透射光的旋转偏振态变化测量得到外部场的变化。这种磁强计又分为标量原子磁强计和SERF(无自旋交换弛豫)磁强计，气态磁强计的优点是灵敏度高(迄今已经达到0.54fTHz^-1/2)。

基于电学的磁强计：超高量子干涉仪磁强计(SQUID)：由Josephson结组成的超导环构成。SQUID分为射频、直流和弛豫型SQUID组成。SQUID磁强计的优点是噪声低，低频端为1/f噪声，在1kHz的噪声水平10fTHz^-1/2,低温情况下变为白噪声(4.2K)。

扫描霍尔探针磁强计：通过由二维电子气材料经过标准半导体加工组成的霍尔传感器检测隧道电流的变化感知外部磁场。同时运用扫描的方法构建三维磁成像。该方法能够提供非常高的空间分辨率(300nm)，在很宽的温度范围(1mK-500K)能够得到比较好的磁场灵敏度。

基于固态自旋的磁强计：主要有使用扫描探针技术的磁共振力显微镜，它的主要部件为镀了铁磁性探针的针尖。当探针接近材料表面时，由于产生磁场梯度，探针针尖与材料表面之间产生微小力(10G nm^-1)。当自旋方向做周期跳动时，探针振动发生变化，反映自旋的变化，振动振幅通过激光干涉仪读出。该方法的磁场检测灵敏度由探针热噪声决定。噪声功率谱密度为κ，ω₀，Q分别为探针弹性系数，共振频率和品质因子。检测针尖位移的悬臂梁反射造成的光子散粒噪声远远小于热噪声，可以忽略。此外，核自旋集群磁化的统计学涨落表示为N为自旋数量，该参数也是影响磁测灵敏度的因素之一。MRFM的空间分辨率与磁场梯度成正比，随被测物尺寸的增大而降低。探针针尖足够小的情况下，MRFM的分辨率可以轻松达到10nm。