基于色心金刚石的均匀微波场谐振器的研究.pdf

1、XX 大学毕业设计毕业设计(论文论文)题题目目:基于色心金刚石的均匀微波磁场谐振器基于色心金刚石的均匀微波磁场谐振器的研究的研究学学院院:测试与光电工程学院测试与光电工程学院专专业业:测控技术与仪器测控技术与仪器姓姓名名:学学号号:指导教师指导教师:二二 Oxx 年六月年六月基于色心金刚石的均匀微波磁场谐振器的研究基于色心金刚石的均匀微波磁场谐振器的研究摘要摘要：金刚石中的杂质氮空位中心（简称 NV 色心）由一个取代碳的氮原子和相邻的一个碳空位组成，它的带电状态是一个负电荷，当吸收一定的微波，会发出荧光，是很好的单光子源，它的基态三重态在零磁场下自然劈裂成能级差为2.87GHz 的自旋为 0

2、和自旋为 1 的两个能级。基于金刚石中 NV 色心系综电子自旋操控和氮原子核自旋操控的研究需求，需要对金刚石内部的 NV 色心辐射中心频率为 2.87GHz 的微波，使它的基态三重态发生分裂同时为了更容易的实现自旋操控的组合操控方式。氮原子与 NV 色心电子产生超精细作用的自旋态能量间隙在 MHZ 量级，这就要求微波天线需要 150MHz 左右的带宽，从而能够通过天线在合适的功率下实现最高效率和最高拉比振荡频率的操控氮原子核自旋。对于以 NV 色心系综为敏感的惯性测量与磁场测量，为了得到有效的测量信号应尽量使系综中各单一自旋受到相同程度的极化与操控，因此要求微波天线在金刚石样品敏感区域内产生均

3、与的微波场，主要包括微波场幅度的均匀性和微波能量传输效率的均匀性。针对实际应用中可能遇到的问题应当考虑微波天线的能量辐射效率，这一点要求微波天线的中心频率较准确的定位在 2.87GHz，并且要求天线面积与金刚石样品尺寸差距尽量小以及金刚石样品距离天线尽可能近。另外考虑到实验系统的搭建，最初采用国际通用的单根导线的辐射形式以方便系统的搭建和实验效果的验证。在实现电子自旋和氮原子核自旋的微波操控实验基础之后，将尝试设计多种形式的微波天线来提高微波辐射效率，并同时保证金刚石位置的水平与固定，以及能够平稳的放置在位移平台上，并且要求微波天线能与微波源和微波放大器良好的耦合。关键字：NV 色心金刚石 电

4、子自旋操控 氮原子自旋操控 微波 中心频率The study on the resonator with uniform microwave fieldbased the color centerdiamondA Abstractbstract:Diamond in the nitrogen vacancy Center(NV Center)a carbonvacancy by a substitution of nitrogen atoms and adjacent carbon composition,with anegative charge of the NV center is th

5、e single photon source is very good,its groundstate triplet splitting into three natural energy difference of spin 2.87GHz 0 and spintwo level 1 under zero magnetic field.Study on demand NV center in diamondensemble of spin manipulation and nitrogen nuclear spin manipulation based on need,diamond ra

6、diation center frequency of the microwave signal 2.87GHz to realize theelectronic ground state splitting.At the same time in order to realize the combinationof control spin manipulation easier.The nitrogen atoms and NV produce hyperfineinteraction center electron spin state energy gap in the order o

7、f MHZ,which requiresthe microwave antenna need about 150MHz bandwidth control,the nitrogen nucleithus can realize the maximum efficiency and maximum Rabi oscillation frequency atthe right power by self rotating antenna.The NV Center for ensemble inertial measurement and measurement of magneticfield

8、sensitive,in order to get the measurement signal effectively should try to makethe single spin ensemble by polarization and manipulation of the same degree,so themicrowave antennas are produced with the microwave field in diamond samplessensitive region,including microwave field amplitude and unifor

9、mity of themicrowave energy transmission efficiency uniformity.The energy efficiency of radiation should be considered for the microwaveantenna may encounter problems in practical applications,the center frequencyrequirements of microwave antenna accurately positioning in 2.87GHz,and theantenna area

10、 and sample size as small as possible the gap between diamond anddiamond samples from the antenna as close as possible.Considering the experiment,verify the effect and built the experimental form of radiation initially using singleconductor to facilitate international system.After.After microwave co

11、ntrolledexperiments based electron spin and nitrogen nuclear spin,will try to design variousforms of microwave antenna to improve microwave radiation efficiency,and at thesame time to ensure the position of the diamond level and fixed,and can be smoothlyplaced on the displacement platform,which is c

12、onvenient for antenna and microwavesource and microwave amplifier.Keywords:NV-color-center-diamondelectron-spin-manipulationnitrogen-spinmanipulationmicrowavecenter frequency目目 录录1引言1.1 选题的依据及意义.（1）1.2 国内外研究现状.（2）1.3 研究内容及要求.（5）2NV 色心的基本性质及应用2.1 NV 的几何结构.（6）2.2 NV 的荧光光谱.（6）2.3 应用.（8）3实验系统的介绍3.1 实验系统

13、图.（9）3.2 光学部分设计原理图.（9）4HFSS 软件使用简介4.1 HFSS 简介.(10）4.2 HFSS 设计流程.（11）5微波谐振器的设计及 HFSS 仿真5.1 微波理论介绍.（12）5.1.1 天线基本原理.（12）5.1.2 天线性能参数.（14）5.2 微波天线的设计.（15）5.2.1 侧馈微带天线.（15）5.2.2 HFSS 设计.（18）5.2.3 HFSS 仿真.（21）6结论及展望6.1 结论.（31）6.2 展望.（31）参考文献.（33）致 谢.（35）1基于色心金刚石的微波磁场谐振器的研究基于色心金刚石的微波磁场谐振器的研究1 引言引言本文系统的研究了

14、基于色心金刚石的微波场谐振器，设计微波场谐振器以实现对色心金刚石中NV基态能级分裂，并且接下来对NV色心金刚石进行自旋极化，自旋操控，自旋检测。第一章主要粗略讲述微波场的研究对于实现色心金刚石的广泛应用的意义，国内外的研究现状以及微波场研究的方法。第二章简单介绍了NV 色心金刚石所具有的特性。第三章用图简单介绍了我们的实验系统构造，并给出了实验系统图。第四章简单介绍了研究微波场所用的一款软件 HFSS 和它的设计流程,为后面的微波场设计提供了设计原则。第五章详细介绍了微波天线的设计，包括 3D 模型的构建，求解设置，仿真结果的分析以及金刚石表面的微波场的分析。第六章得出结论并对以后的研究给出自

15、己的看法。1.1 选题的依据及意义选题的依据及意义将待测物原子、分子自旋所产生的弱磁场作为检测对象的生物成像技术，因具有超高测量灵敏度和机体无损检测的特点，在医疗检测领域存在着巨大的应用前景。但现有的生物成像技术在检测过程中，只能检测到几微米甚至几百微米量级的大小，这一空间分辨率针对大多数几微米至几十微米的细胞来说，在检测中会相当模糊甚至无法观察到。在此背景下，金刚石内嵌负价氮原子-空位（negativelycharged nitrogen-vacancy，NV）色心，成为生物成像检测领域新的研究热点。因为该物质对弱磁场具有极强敏感能力，因此可实现超高空间分辨率的磁场测量。自然杂志在 2014

16、 年 2 月的“特别报道”中，针对该研究在未来传感检测技术领域的引领作用给予了肯定1。根据 NV色心金刚石磁场传感的机理，其理论灵敏度可以达到亚 fT/Hz1/2量级，空间分辨率可以达到亚 nm 量级，同时具有启动速度快、测量速度快、超小型、低成本、长寿命及可常温检测等优点。因此，该技术的研究研究意义重大、应用前景乐观。自从 1997 年实现了对带单个负电荷的 N 原子空缺（NV）色心的检测2以来，NV 研究领域快速扩展，目前NV-色心体系被广泛用于量子计算、量子存储、量子传感等领域的研究3,4，这些领域基本处于原理研究和实验研究阶段。要实现量子计算及存储、量子传感必须对金刚石色心进行自旋极化、自旋操控、自旋检测，而实现这些操作的基础先为金刚石 NV 色心自旋提供相应频率一定要求的微波磁场，从而使得 NV 色心基态能级能够被外界操控。对NV色心传送微波是实现基于NV色心金刚石进行物理和生物测量的实验基础。较为传统的微波传输方式主要用于单个色心的实验条件，如单根导线和共面超导等形式。这些微波传送方式往往只在某一定点即单个 NV 色心处表现出较好的微波磁场传送效果。同时由于单个色心在磁测量