本發(fā)明屬于量子信息解算領(lǐng)域，具體為一種基于微波調(diào)相譜技術(shù)來對金剛石nv色心的電子自旋信息進(jìn)行檢測。

背景技術(shù)：

由于原子核攜帶電荷，當(dāng)原子核自旋時，會由自旋產(chǎn)生一個磁距，這一磁距方向與原子核的自旋方向相同，其大小與原子核的自旋角動量成正比。把金剛石置于外加磁場中，當(dāng)原子核磁矩與外加磁場方向不同時，金剛石中原子核磁距會繞外磁場方向轉(zhuǎn)動，類似陀螺在旋轉(zhuǎn)過程的繞軸轉(zhuǎn)動，為lamor進(jìn)動。原子核的進(jìn)動頻率與外加磁場和原子核本身的性質(zhì)決定，對于某一特定原子核，在一定發(fā)得磁場中，其自旋進(jìn)動頻率是固定的，利用這種原理制成了原子磁共振儀器。

為了讀出原子自旋的信息，用波長532nm的激光照射到金剛石表面，極化自旋，制備共振初態(tài)，接著關(guān)閉激光，然后通過微帶天線將掃頻微波信號施加到金剛石上，最后再次打開激光讀出金剛石nv色心的原子自旋狀態(tài)，此過程中，微波信號的產(chǎn)生是利用了在pcb板上刻蝕金屬細(xì)線或是制作微帶天線來輻射微波信號，這種方法對微波的損耗較大，輻射到金剛石上的微波能量很弱，也有直接將微帶天線加工到金剛石表面的方法，這種方法輻射效率有所提高，但對工藝要求較高，要保證天線準(zhǔn)確刻蝕在色心附近，而且微波輻射方向不能調(diào)整，難以直接對準(zhǔn)nv軸，它們的共同不足還在于需要有高質(zhì)量的光電轉(zhuǎn)換形式的信息接收電路，需要濾除包括自然光、激發(fā)光的干擾，才能采集到高質(zhì)量的光信號，然后利用單光子計(jì)數(shù)器或是光電二極管轉(zhuǎn)化為電信號進(jìn)行解算，在光電轉(zhuǎn)換過程中，激發(fā)光會產(chǎn)生很強(qiáng)的干擾，難以濾除干凈，耦合到光電探測器中，對檢測信號造成噪聲干擾，信噪比不高。針對運(yùn)用光電轉(zhuǎn)化的方式，本發(fā)明借鑒了微波ct技術(shù)，直接通過檢測透射過金剛石之后的微波信息，解算發(fā)生透射后的微波能量，繪制波形，實(shí)現(xiàn)對共振信號的檢測，去除了搭建光路的復(fù)雜系統(tǒng)以及各類光的干擾問題，提高了信噪比。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明針對現(xiàn)有固體金剛石原子自旋檢測方法中光路的復(fù)雜性以及對光信號讀出過程存在的光干擾問題，為了提高金剛石nv色心電子自旋信息的檢測精度，提出了一種基于微波調(diào)相譜技術(shù)的金剛石原子自旋信息讀出方法，簡化了傳統(tǒng)使用光信號讀出自旋狀態(tài)方式的實(shí)驗(yàn)光路，解決了激發(fā)光的干擾問題，提高了信噪比。

本發(fā)明是采用如下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：

一種基于微波調(diào)相譜技術(shù)的金剛石色心自旋傳感檢測方法，包括如下步驟：

（1）、將微波發(fā)射端和微波接收端對稱安裝在抗磁圓環(huán)內(nèi)側(cè)，微波發(fā)射端與微波源連接，微波接收端連接fpga的數(shù)據(jù)采集口或示波卡的信號輸入端，或者，微波接收端通過分口器分別連接示波卡的信號輸入端和fpga的數(shù)據(jù)采集口；

（2）、將具有nv色心的金剛石固定在抗磁圓環(huán)中心，采用激光器發(fā)射激光照射到金剛石表面，初始化nv色心的自旋狀態(tài)，使其都布局在ms=0的狀態(tài)，使金剛石完成初始化；

（3）、打開微波源，微波發(fā)射端發(fā)射微波掃頻信號，設(shè)置微波場頻率在2.85ghz~2.89ghz，掃頻微波透過金剛石樣品，微波接收端進(jìn)行投射微波的吸收，微波接收端的信號進(jìn)入示波卡和fpga，示波卡實(shí)時顯示圖形，fpga則對采集的信號進(jìn)行數(shù)字濾波處理，并解算繪制解調(diào)圖形顯示在圖形顯示窗口；

（4）、通過觀察微波的吸收峰，由此直觀看出金剛石色心的電子共振譜。

本發(fā)明方法結(jié)合了微波調(diào)相譜技術(shù)進(jìn)行金剛石色心原子共振信號的檢測，用激光將電子能級激發(fā)，掃描外加磁場，利用金剛石色心基態(tài)能級對微波場的吸收作用檢測微波信號的變化，用來讀出色心自旋信息，即達(dá)到本發(fā)明目的。

本發(fā)明檢測方法簡便，精度高，而且消除了光路的復(fù)雜性和不穩(wěn)定性，提高了原子磁共振的信噪比。

附圖說明

圖1表示微波檢測色心自旋信息的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖2表示自旋信息檢測系統(tǒng)的工作流程

圖3表示信號分析解調(diào)過程

圖中：1-金剛石，2-激光器，3-二維調(diào)節(jié)平臺，4-微波發(fā)射端，5-微波接收端，6-轉(zhuǎn)軸，7-木質(zhì)框架，8-抗磁圓環(huán)。

具體實(shí)施方式

下面對本發(fā)明的具體實(shí)施例進(jìn)行詳細(xì)說明。

一種基于微波調(diào)相譜技術(shù)的金剛石色心自旋傳感檢測系統(tǒng)，如圖1所示，包括抗磁圓環(huán)8，所述抗磁圓環(huán)8內(nèi)側(cè)對稱安裝有微波發(fā)射端4和微波接收端5，所述微波發(fā)射端4連接sma接頭，接頭連接微波源；所述微波接收端5連接sma接頭，接頭連接分口器，分口器一頭接示波卡的信號輸入端，一頭接fpga控制芯片的數(shù)據(jù)采集口。或者，微波接收端5通過sma接頭直接連接示波卡或者fpga控制芯片也可以。所述抗磁圓環(huán)8中心固定具有nv色心的金剛石1，金剛石樣品和激光發(fā)射器放在水平支撐臺上，激光器固定在二維操作平臺3上，通過調(diào)節(jié)二維操作平臺，使激光剛好可以照射到金剛石樣品表面。

具體實(shí)施時，三個微波發(fā)射端4固定在抗磁圓環(huán)8內(nèi)側(cè)卡槽中，間隔15度；三個微波接收端5固定在抗磁圓環(huán)8內(nèi)側(cè)卡槽中，間隔15度。所述抗磁圓環(huán)8采用鋁合金材料制備?？勾艌A環(huán)8通過兩側(cè)轉(zhuǎn)軸6安裝在木質(zhì)框架7上。

另外，本發(fā)明利用簡單的方法設(shè)計(jì)制作微波天線。微波發(fā)射端4包括樹脂板，所述樹脂板上印有寬度為0.03mm的環(huán)狀金屬絲作為微波發(fā)射天線；所述微波接收端5包括樹脂板，所述樹脂板上印有寬度為0.03mm的環(huán)狀金屬絲作為微波接收天線。微波發(fā)射端或者微波接收端的制備方法如下：通過熱壓印技術(shù)將金屬銅壓在絕緣合成樹脂板上，然后將具有天線結(jié)構(gòu)圖形的油紙緊貼在樹脂板上，再次熱壓印轉(zhuǎn)移圖形，油紙上繪制天線結(jié)構(gòu)圖形的墨不溶于濃氨水，然后使用濃氨水除去樹脂板上裸露的金屬銅，留下天線結(jié)構(gòu)，然后用砂紙把墨擦掉，形成金屬銅微波天線。所述環(huán)狀金屬絲直徑為1cm。

一種基于微波調(diào)相譜技術(shù)的金剛石色心自旋傳感檢測方法，應(yīng)用微波調(diào)相譜技術(shù)對金剛石進(jìn)行自旋信息檢測，只需在接收端收集微波信號就可以解算出金剛石nv色心電子自旋信息。具體步驟如下：

（1）、將微波發(fā)射端4和微波接收端5對稱安裝在抗磁圓環(huán)8內(nèi)側(cè)，微波發(fā)射端4與微波源連接，微波接收端5連接fpga的數(shù)據(jù)采集口或示波卡的信號輸入端，或者，微波接收端5通過分口器分別連接示波卡的信號輸入端和fpga的數(shù)據(jù)采集口。

（2）、將具有nv色心的金剛石1固定在抗磁圓環(huán)8中心，采用激光器發(fā)射激光照射到金剛石表面，初始化nv色心的自旋狀態(tài)，使其都布局在ms=0的狀態(tài)，使金剛石完成初始化。

（3）、打開微波源，微波發(fā)射端發(fā)射微波掃頻信號，設(shè)置微波場頻率在2.85ghz~2.89ghz，掃頻微波透過金剛石樣品，微波接收端進(jìn)行投射微波的吸收，微波接收端的信號進(jìn)入示波卡和fpga，如圖2所示。示波卡實(shí)時顯示圖形。檢測微波接收天線的信號變化，fpga則對采集的信號進(jìn)行數(shù)字濾波后進(jìn)行處理分析，解算繪制解調(diào)圖形，輸出調(diào)整后的信號，在圖形顯示窗口顯示波形，如圖3所示。

（4）、通過觀察微波的吸收峰，由此直觀看出金剛石色心的電子共振譜，即獲得金剛石色心的自旋信息。

具體操作時，金剛石樣品固定在微波天線環(huán)的中央位置，使用高穩(wěn)定性激光發(fā)射器照射金剛石樣品，制備電子自旋初態(tài)到ms=0，使樣品完成初始化，打開微波源，微波發(fā)射天線發(fā)射微波掃頻信號，微波透射過金剛石樣品，由于原子順磁磁距比原子核的順磁磁距大1000多倍，所以原子順磁共振頻率落在微波吸收范圍，因而金剛石色心對特定頻率的微波具有吸收作用，根據(jù)radon原理，在共振頻率下，微波接收端的信號會出現(xiàn)明顯的吸收峰，所以可以直接根據(jù)接收端采集到的微波信號便可檢測到原子共振信息。設(shè)置微波場頻率在2.85ghz~2.89ghz之間掃頻，掃頻時間為1s，輸出功率20dbm。利用示波卡采集微波接收端的數(shù)據(jù)，采樣率1gs/s。fpga每隔1s對信號進(jìn)行采集，并進(jìn)行數(shù)字濾波，輸出波形在圖像顯示窗口，即獲得金剛石色心的自旋信息。

以上僅為本發(fā)明的具體實(shí)施例，但并不局限于此。任何以本發(fā)明為基礎(chǔ)解決基本相同的技術(shù)問題，或?qū)崿F(xiàn)基本相同的技術(shù)效果，所作出地簡單變化、等同替換或者修飾等，均屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。