基于固态电子自旋极化的矢量磁场测量机理研究

论文摘要

近年来,氮空位(NV)中心作为优异的固态电子自旋量子体系,其电子自旋在室内温度下具有较长的相干时间,被激光辐射易读出的特性,使其在量子调控和量子传感领域获得突破性进展。同时,利用微波和射频技术调控NV色心自旋态可以实现量子精密磁探测,结合其结构对称性,采用多频微波脉冲同步控制NV色心的不同晶轴还可以提高其矢量磁测量灵敏度。因此基于固态电子自旋的精准操控实现高灵敏度磁探测成为了我们的研究目标。主要研究内容如下:首先简要介绍了固态电子自旋极化及矢量磁场测量当前的研究水平和研究手段,从本质上介绍了NV色心的基本性质:包括物理、电子、能级结构及其自旋极化机理,同时介绍了NV色心的加工工艺及光谱特性。重点分析了基于光学检测磁共振技术的几种自旋调控方法及原理。总结了矢量磁测量原理及灵敏度的测量方法。其次,为了实现固态电子自旋极化,我们以产生高精度同步时序脉冲为研究目标,设计了基于Labview和spincore的脉冲序列发生模块和数据采集、存储、运算模块,实现了不同仪器间的同步运行。同时设计了实现自旋调控实验的脉冲序列,结合自主搭建的软硬件系统,测量了系综NV色心拉比振荡周期为300ns。通过实验还测试了NV色心的自旋回声和退相干时间,并对实验调控参数进行了优化。最后,根据NV色心的结构对称性对矢量磁场测量进行空间数学建模,从理论上推导了磁场大小和方向与NV轴之间的关系,通过实验进行了验证。同时研究了矢量磁场与调控关键参数如拉比振荡的关系。实验通过利用微波、激光技术实现了固态电子自旋极化及矢量磁场的测量,为未来延长退相干时间,提高磁检测灵敏度提供了良好实验平台。

论文目录

• 摘要
• abstract
• 第一章 绪论
•   1.1 课题研究背景
•   1.2 固态电子自旋调控与矢量磁场测量国内外研究现状
•   1.3 课题研究意义
•   1.4 本章主要研究内容
• 第二章 固态电子自旋调控与矢量磁场测量理论
•   2.1 金刚石氮空位（NV）色心基本性质
•     2.1.1 金刚石NV色心结构
•     2.1.2 NV色心自旋极化机理
•     2.1.3 金刚石系综NV色心的制备及光谱特性
•     2.1.4 光探测磁共振（ODMR）
•   2.2 NV色心系综自旋态调控与矢量磁场测量理论
•     2.2.1 调控方法
•     2.2.2 利用自旋态调控的交直流磁场测量方法
•     2.2.3 磁场大小和方向的测量
•   2.3 本章小结
• 第三章 NV色心系综自旋态调控实验与优化
•   3.1 系统搭建
•     3.1.1 共聚焦系统平台搭建
•     3.1.2 系统软硬件实现
•   3.2自旋调控实验
•     3.2.1 关键脉冲序列设计
•     3.2.2 拉比振荡测量
•     3.2.3 自旋回声测量
•     3.2.4 T2 弛豫时间的测量
•   3.3 调控参数优化设计
•   3.4 本章小结
• 第四章 NV色心自旋极化的矢量磁场测量研究
•   4.1 磁场产生装置及空间三维磁场的建模与求解
•     4.1.1 实验装置介绍
•     4.1.2 数学建模及理论分析
•   4.2 三维空间磁场仿真与均匀性分析
•     4.2.1 单Z轴电磁线圈磁场分析
•     4.2.2 多轴电磁线圈磁场分析
•   4.3 ODMR与矢量磁场测量
•   4.4 Rabi振荡与矢量磁场测量
•   4.5 本章小结
• 第五章 总结与展望
•   5.1 论文研究内容总结
•   5.2 总结与建议
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间所取得的研究成果
• 致谢

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 赵娟

导师: 秦丽

关键词: 色心,自旋极化,量子调控,矢量磁场

来源: 中北大学

年度: 2019

分类: 基础科学

专业: 物理学

单位: 中北大学

分类号: O413

总页数: 76

文件大小: 4950K

下载量: 77