基于金刚石氮-空位色心系综的磁测量方法研究

发布时间：2023-06-03 19:51

　　磁是自然界中的一种基本物理属性,也是描述各种物质特征的重要物理量。同测量光、力、热、电等物理量类似,磁测量也是人类社会发展过程中一种不可或缺的技术。从古时候的司南到近代的高斯计以及现代的量子磁力计,磁测量工具被各个时代的人们用于认识并改造世界。量子精密测量技术作为不同于经典体系的测量技术,利用了量子系统对环境的敏感性来实现精密测量。利用量子力学原理,量子精密测量技术有望突破经典测量的极限,在灵敏度等指标上有较大的优势。事实上,目前基于量子力学原理的精密磁测量已经在多种量子体系中得到发展,例如超导量子干涉仪、原子/光泵浦磁力计与基于氮-空位色心的磁力计等。同时这些磁力计都已经成为磁测量领域的重要工具。氮-空位色心是金刚石中的一种点缺陷。由于其拥有的优异特性,自2008年多位学者详细阐述了其应用前景后,基于氮-空位色心的磁测量领域开始迅猛发展。然而,相比于单氮-空位色心在生物领域的广泛应用,针对系综氮-空位色心的研究仍相对较少。本论文对系综氮-空位色心的磁测量方法展开研究,针对低频磁场测量的目标,分别研究了连续波稳态磁测量方法与结合磁通聚集器的复合磁测量方法。其中,利用连续波稳态磁测量方法...

【文章页数】：142 页

【学位级别】：博士

【文章目录】：
摘要
abstract
符号说明
第1章 绪论
    1.1 概述
    1.2 磁测量的历史背景
    1.3 磁测量技术及其应用
        1.3.1 地磁测绘
        1.3.2 地磁导航
        1.3.3 生物磁学成像
        1.3.4 工业无损检测
        1.3.5 小结
    1.4 现有基于量子体系的磁测量技术
        1.4.1 超导量子干涉仪
        1.4.2 原子/光泵浦磁力计
        1.4.3 氮-空位色心磁力计
        1.4.4 其他
    1.5 基于系综氮-空位色心的磁测量技术的前沿进展
第2章 氮-空位色心背景介绍
    2.1 氮-空位色心介绍
    2.2 氮-空位色心的荧光光谱
    2.3 氮-空位色心的相干控制
    2.4 氮-空位色心的基本参数
        2.4.1 自旋-晶格弛豫时间T1

        2.4.2 自旋-自旋弛豫时间T₂

        2.4.3 非均匀自旋弛豫时间T_2
*

    2.5 系综氮-空位色心金刚石样品
第3章 系综氮-空位色心的磁测量原理及系统架构
    3.1 基于系综氮-空位色心的磁测量原理
        3.1.1 连续波方法
        3.1.2 脉冲方法
    3.2 基于连续波方法的磁测量灵敏度及其相关参数
        3.2.1 激光泵浦速率Γ_P与微波操控场强度Ω_R

        3.2.2 物理场不均匀性
        3.2.3 调制频率f_m与调制幅度A_m

        3.2.4 激光偏振角θ_L

        3.2.5 夹角系数α
        3.2.6 有效传感自旋数N_eff

        3.2.7 荧光收集效率ε_f

        3.2.8 非均匀自旋弛豫时间T_2
*

        3.2.9 系统噪声δS
        3.2.10 小结
    3.3 系综氮-空位色心实验平台的系统架构
        3.3.1 连续波方案系统架构
        3.3.2 脉冲方案系统架构
    3.4 磁测量实验平台所需电子学装置的研制
        3.4.1 任意序列发生器
        3.4.2 任意波形发生器
        3.4.3 集成化控制与读出系统
    3.5 基于系综氮-空位色心的光探测磁共振实验平台搭建
        3.5.1 光学系统的搭建
        3.5.2 微波系统与读出系统的搭建
        3.5.3 样品装载台的搭建
        3.5.4 实验平台控制软件的开发
        3.5.5 脉冲实验测试示例
    3.6 脉冲磁测量方法的实验尝试
第4章 基于系综氮-空位色心的连续波稳态磁测量方法
    4.1 连续波稳态磁测量方法原理
    4.2 连续波稳态实验硬件框架
    4.3 连续波稳态磁测量方法实验结果
        4.3.1 时域磁场测量结果
        4.3.2 系统带宽测试结果
        4.3.3 灵敏度与动态范围测试结果
    4.4 连续波稳态磁测量方法的潜力与展望
第5章 基于系综氮-空位色心与磁通聚集器的复合磁测量方法
    5.1 复合磁测量方法原理
        5.1.1 磁通聚集
        5.1.2 系综氮-空位色心结合磁通聚集方法
    5.2 复合磁测量方法的实验硬件框架
        5.2.1 磁通聚集器的设计
        5.2.2 实验系统框架
    5.3 复合磁测量方法的实验结果
        5.3.1 磁通聚集器放大倍数测试
        5.3.2 复合磁力计灵敏度测试
    5.4 复合磁测量方法的潜力与展望
第6章 集成化系综氮-空位色心磁力计的研制
    6.1 集成化磁力计系统架构
    6.2 集成化磁力计光学系统
    6.3 集成化磁力计微波系统
    6.4 集成化磁力计读出系统
    6.5 集成化磁力计探头
    6.6 集成化磁力计整机
    6.7 集成化工作小结
第7章 系综氮-空位色心磁力计未来的发展方向与前景
    7.1 灵敏度优化展望
    7.2 集成化工作展望
    7.3 总结与展望
参考文献
附录A 补充材料
    A.1 激光偏振角度对样品连续波谱的影响
    A.2 角度系数α与磁场-主轴夹角以及外磁场强度的关系
    A.3 锁相放大器的解调原理
    A.4 样品温度与激光功率的关系
    A.5 特定场景下的灵敏度评估及讨论
        A.5.1 接近一般配置情形的散粒噪声极限灵敏度估计
        A.5.2 激光全反射增加光程情形的散粒噪声极限灵敏度估计
        A.5.3 优化样品提高T2
*情形的散粒噪声极限灵敏度估计
        A.5.4 小结
致谢
在读期间发表的学术论文与取得的研究成果



本文编号：3829934

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