Нанопозиционеры в квантовой сенсорике | Специальные Системы. Фотоника

Квантовые эффекты позволяют создавать все более миниатюрные и точные сенсоры (датчики) для измерения различных параметров с высокой чувствительностью. Для создания таких сенсоров необходимо специальное оборудование, о котором мы расскажем в сегодняшнем материале.

Одним из примеров квантовых сенсоров являются датчики на центрах окраски в алмазах или датчики на NV-центрах. NV-центр – это дефект кристаллической решетки алмаза, когда из структуры решетки кристалла удаляется атом углерода, а образовавшаяся вакансия связывается с атомом азота.

Рис.1 Упрощённая структура NV− центра

Уникальность состоит в том, что электронные спины таких центров реагируют на свет, электрические и магнитные поля – это позволяет записывать информацию на спинах ядра центра. Таким образом появляется возможность хранить информацию во времени.

Такие датчики находят применение в магнитометрических исследованиях:

электронного парамагнитного резонанса (ЭПР),
оптически-детектируемого магнитного резонанса (ОДМР),
сверхпроводимости,
нейроактивности и мозговом картировании,
квантовых коммуникациях,
для создания квантовых компьютеров.

Для исследований подобного уровня очень важно минимизировать тепловые смещения, поэтому большинство экспериментов проводятся при низких температурах и в условиях вакуума.

Как нанопозионеры улучшают результаты экспериментов?

Рассмотрим применение нанопозионеров на нескольких реальных примерах экспериментальных установок.

Эмиссия азото-замещенных вакансий алмаза под воздействием магнитного поля

Рис. 2 Схема эксперимента (Felix A. Hahl et al, Science Advances)¹

Лазер накачки (532 nm) и задающий лазер (710 nm) проходят через дихроичное зеркало (DM) и по фокусируются в резонаторе на алмазе. Зеленый лазер блокируется 532-нм нотч фильтром (NF). Датчики фиксируют прошедший свет (det1), отраженный свет (det2) и фотолюминисценцию (det3).

Для создания однородного магнитного поля внутри алмаза в направлении (100), был использован сильный постоянный магнит, который позиционириовался пьезоплатформо й.

Для изменения длины резонатора (М2) использовался пьезосканер с обратной связью.

Длина резонатора модулировалась путем подачи пилообразного сигнала с амплитудой 3 мкм. С помощью осциллографа были отобраны несколько основных режимов резонатора. Резонансы резонатора были обнаружены в линейном режиме пьезодвижения.

Исследования сверхпроводимости под высоким давлением

Рассмотрим пример экспериментальной установки для исследования сверхпроводимости NV-центров методом ОДМР. ОДМР используется в NV исследованиях в комбинации с оптическими измерениями и спектроскопией электронного парамагнитного резонанса.

Рис. 3 Экспериментальная установка для исследования сверхпроводимости NV-центров методом ОДМР²

Ячейка с алмазными наковальнями (DAC) массой ~ 400 г используется для создания высокого давления наночастиц алмаза с NV-центрами. Комбинация X,Y,Z нанопозиционеров используется в криостате для перемещения DAC, чтобы удерживать NV-центр в наилучшем положении в системе ОДМР.

Рис. 4 Спектры NV-центров под разным давлением, полученные в результате экспериментов на установке

Еще один пример экспериментальной установки для исследования сверхпроводимости NV-центров с добавлением оксида иттрия-бария-меди (YBCO) – широко применяемого высокотемпературного сверхпроводника, методом ОДМР:

Рис. 5 Экспериментальная установка для исследования сверхпроводимости NV-центров и YBCO методом ОДМР³

В этом эксперименте NV-центры служили датчиками для отслеживания перехода YBCO в состояние сверхпроводимости. В результате измерений были получены спектры при разных температурах (рис.6). По расщеплению спектра ОДМР NV-центров можно найти температуру перехода YBCO в сверхпроводящее состояние (порядка 90 K). Это так называемый эффект Мейснера –полное вытеснение магнитного поля из объёма проводника при его переходе в сверхпроводящее состояние.

Рис.6 ОДМР-спектры YBCO полученные при разных температурах

Во всех выше описанных экспериментах были использованы нанопозиционеры для достижения наилучших результатов измерений. Мы предлагаем вам попробовать пьезопозиционеры MultiFields для улучшения ваших эксперментальных установок и получения более точных результатов.

В линейке нанопозиционеров MultiFields представлены модели для разных типов движения, позволяющие перемещать объекты с шагом в несколько нанометров:

Для использования при комнатной температуре или в вакууме при низких температурах в четырех видах исполнений:

.HV - стандартное исполнение:

температура о.с. 1,4 - 400 К, вакуум до 2 E-7 мбар.

.ULT - низкотемпературное исполнение:

температура о.с. до 30 мК, вакуум до 2 E-7 мбар.

.UHV - исполнение для сверхвысокого вакуума:

температура о.с. 1,4 - 400 К, вакуум до 2 E-11 мбар.

.ULT.UHV - низкотемпературное исполнение для сверхвысокого вакуума:

температура о.с. 1,4 - 400 К, вакуум до 2 E-11 мбар.

Все нанопозиционеры совместимы друг с другом, что позволяет собирает разнообразные конфигурации:

Компания «Специальные Системы. Фотоника» является эксклюзивным дистрибьютором компании MultiFields Technologies и оказывает техническую поддержку по всей линейке продукции на территории России и ЕАЭС.

Вы можете получить любую дополнительную информацию о продукции и технологиях MultiFields Technologies, обратившись к специалистам нашей компании.

Институт прикладной физики твердого тела Фраунгофера
Correspond: gqliu@iphy.ac.cn * 中国科学院物理研究所Q03i组 (iphy.ac.cn) * Beijing National Laboratory for Condensed Matter Physics, Institute of Physics, Chinese Academy of Sciences, Beijing
Correspond: gqliu@iphy.ac.cn * 中国科学院物理研究所Q03i组 (iphy.ac.cn) * Beijing National Laboratory for Condensed Matter Physics, Institute of Physics, Chinese Academy of Sciences, Beijing