基于色心金刚石的均匀微波场谐振器的研究-开题报告

XX大学毕业设计（论文）开题报告基于色心金刚石的均匀微波场谐振器的研究专 业 名 称 测控技术与仪器班 级 学 号 学 生 姓 名 指 导 教 师 填 表 日 期 20xx年 4 月 9 日1、 选题依据及意义 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（negatively charged 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，该技术的研究具有重要的研究意义与广阔的应用前景。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等应用中表现出的低信噪比特性，目前的研究热点普遍转移到NV色心系综上来，而传统的单根导线微波传送方式已经不能有效的对NV色心系综产生微波耦合，可见对NV色心系综提供满足一定均匀度的微波磁场显得尤为重要。目前微波天线技术已经非常成熟的应用于通信、传输等各个领域，在NV色心金刚石电子自旋操控与核自旋操控应用背景下，研究适合于NV色心金刚石尺寸、辐射均匀性以及频带宽度的微波天线是进行基于金刚石NV色心系综磁测量等应用的基础与前提。本课题基于北京航空航天大学结构限域介质材料与内嵌原子操控惯性测量平台，利用HFSS仿真软件提出几种新型微波磁场谐振腔设计方案，并对各方案的磁场均匀性进行对比总结从而进一步优化方案设计，最终探索用于平台实验研究的微波磁场谐振腔应用效果，以对金刚石色心的自旋极化、自旋操控、自旋检测进行探索性研究。二、国内外研究概况及发展趋势 目前世界上研究NV-色心金刚石的几大研究小组，如Budker小组、Wrachup小组、Walsworth小组以及杜江峰小组普遍采用单根导线辐射微波的形式，如图1所示，这种形式的微波天线制作简单易于操作并且能够实现自选操控等实验要求。图 1 单根导线式微波辐射方式德州农机大学实验室设计使用的位于金刚石样品四角位置的细长镀膜天线，其博士论文中主要运用了两种形式的光刻镀膜天线，能够实现较大平面的辐射范围和有效的自旋操控。如图2所示： 图2 金刚石上光刻镀膜辐射方式如图3所示杜江峰小组除了单根导线模式还正在尝试应用镀膜波导和谐振腔体方式辐射微波。中科院物理所潘新宇老师小组也采用了单根导线形式和镀膜波导两种辐射方式。同时，还有小组将微波单根导线与静磁场线圈集成光刻在金刚石样品上的辐射方式，也得到了有效地实际应用。 图3 金刚石镀膜波导辐射方式金刚石NV色心基态分裂本质上属于电子自旋共振（ESR），基于此原理可以借鉴不同应用背景下对固态薄片型样品辐射微波场天线的设计方法。如图4所示的微带线式天线是将长条状的金属线并排镀在基板上，并用功分器对每一条镀线进行耦合并激励，从而在距离镀线上方几百微米处提供1001000m2区域的微波信号，均匀度达到10-2的微波磁场强度均匀区，同时均匀区的宽度与镀线条数成正比。此均匀区的尺寸适合目前尺寸下的金刚石样品中的NV-色心系综的位置范围。图4 基板上微带线辐射方式哈佛大学实验室与2014年发表的关于为金刚石NV色心提供均匀有效大强度微波磁场的论文，其中设计应用的微波辐射天线如图5所示，为双开缝环形贴片天线。能够提供比圆形或单根导线的馈送方式大50倍的区域内8倍的微波场强，拉比振荡频率也相应提高了数倍。图5 双开缝环形天线辐射方式在原子钟系统中也有微波的应用，为了将双频铷原子钟小型化，微波腔的小型化显得至关重要。论文中实现了辐射体积小于1cm的有效谐振腔微波辐射方式。谐振腔的方式也可借鉴到金刚石NV色心系综系统中，但荧光的收集方式目前制约了这种方式的实际应用，可以考虑在谐振腔内镀金属反射膜来提高荧光收集率但同时金属对谐振腔的振动振动模态也会产生影响。图 6 原子钟微波腔设计图和实物图高频结构仿真器（High Frequency Simulator Structure HFSS）是一款常用的功能完备、计算准确的全波三维电磁场仿真软件，是业界公认的三维电磁场设计和分析的工业标准，可分析仿真任意三维无源结构的高频电磁场，能直接得到特征阻抗、传播常数、S参数及电磁场、辐射场、天线方向图等结果。通过这款软件仿真微波天线能够实现一下功能：（1）可通过交互式界面输入高频元件的几何结构、材料类型、端口位置、端口特征阻抗定义线等参数；（2）可按指定的精度计算多端口结构端口处的S参数；（3）以电场强度E和磁场强度H作为基本物理量，从麦克斯韦方程出发，求解微波元件中的电场和磁场的分布和各种曲线图形。以上几点功能分别对应于色心金刚石微波天线仿真过程中的模型建立、激励添加和结果集中新型hongxinxing6qi66666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666分析。三、研究内容及实验方案集中新型hongxinxing6qi66666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666 集中新型hongxinxing6qi666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666663.1研究内容（1在ai6qi66666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666）对金刚石NV色心、微波传感在ai6qi66666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666相关知识的基本掌握；在ai6qi66666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666（在ai6qi666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666662）掌握HFSS仿真软件的使用；在ai6qi66666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666（在ai6qi666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666663）掌握在ai6qi66666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666掌握在ai6qi66666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666几种在ai6qi66666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666微波磁场谐振器的设计，包括单根导线、微带天线、共面超导和在ai6qi66666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666腔等形式在ai6qi66666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666；在ai6qi66666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666（4）对几种不同形式的谐振器磁场均匀性进行对比，总结变化规律并优化设计；（在ai6qi666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666665）探索新型微波磁场谐振器在平台实验中的表现效果。3.2实验方案利用金刚石NV色心材料进行磁测量实验装置如图7所示，本课题主要研究微波系统中为NV色心金刚石提供均匀微波磁场的谐振器，通过仿真设计优化并最终用于实验装置中。根据NV色心的能级图如图8所示，需要对金刚石辐射中心频率在2.87GHz的微波信号来实现电子基态的分裂。同时为了更容易的实现自旋操控和得到更长的退相干时间，实验中将采用NV-电子自旋操控与氮原子核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色心系综为敏感源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匀的微波场，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。图 7 结构限域介质材料惯性测量系统总设计图图 8 NV-色心金刚石能级跃迁图四、目标、主要特色及工作进度4.1目标集中新型hongxinxing7qi77777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777基于金刚石NV色心高精度集中新型hongxinxing7qi77777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777测量实验平台，利用HFSS高频结构仿真器，集中新型hongxinxing7qi77777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777为NV色心系综设计均匀有效的微波磁场谐振集中新型hongxinxing7qi77777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777集中新型hongxinxing7qi77777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777器，提出集中新型均匀微波磁场谐振器设计方案，并对仿真结果进行对比分析从而进一步优化设计方案。在ai7qi77777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777在ai7qi77777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777在ai7qi77777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777最终探索新型均匀微波磁场谐振器用于实验研究的微波耦合效果。4.2主要特色本课题是主要基于金刚石NV色心高精度测量实验平台进行的均匀微波磁场谐振器设计研究，应用背景新颖独特，设计思路在国内外具有创新性，具有较高的可行性和实用性。4.3工作进度1、 查阅色心金刚石和均匀微波磁场谐振器资料并撰写开题报告；03.0903.202、 掌握HFSS微波仿真软件的设计使用； 03.2104.153、 提出针对色心金刚石应用的均匀微波磁场谐振器的设计方案；04.1604.304、 对设计方案的微波磁场均匀性进行对比总结和优化； 05.0405.155、 探索色心金刚石微波系统实验研究； 05.1605.316、 总结并撰写论文，答辩。 06.0106.20参考文献1 E. Bigney, Flawed to perfection: Ultra-pure synthetic diamonds offer advances in fields from quantum computing to cancer diagnostics, Nature, 505, 2014, 472-474.2D. Le Sage,L. M. Pham,N. Bar-Gill,C. Belthangady,M. D. Lukin,A. Yacoby, R. L. Walsworth. Efficient photon detection from color centers in a diamond optical waveguideJ. Physical Review B,2012,85(12):121202-4. 3Dmitry Budker. The sense of colour centresJ. Nature Physics,2011, (7):453-454.4 Dmitry Budker. The sense of colour centresJ. Nature Physics,2011, (7):453-454.5Ashok Ajoy ,Paola Cappellaro.Stable three-axis nuclear-spin gyroscope in diamondJ.Physical Review A,2012,