基于色心金剛石的均勻微波場諧振器的研究-開題報(bào)告

XX大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）開題報(bào)告基于色心金剛石的均勻微波場諧振器的研究專 業(yè) 名 稱 測控技術(shù)與儀器班 級 學(xué) 號 學(xué) 生 姓 名 指 導(dǎo) 教 師 填 表 日 期 20xx年 4 月 9 日1、 選題依據(jù)及意義 將待測物原子、分子自旋所產(chǎn)生的弱磁場作為檢測對象的生物成像技術(shù)，因具有超高測量靈敏度和機(jī)體無損檢測的特點(diǎn)，在醫(yī)療檢測領(lǐng)域存在著巨大的應(yīng)用前景。但現(xiàn)有的生物成像技術(shù)在檢測過程中，只能檢測到幾微米甚至幾百微米量級的大小，這一空間分辨率針對大多數(shù)幾微米至幾十微米的細(xì)胞來說，在檢測中會相當(dāng)模糊甚至無法觀察到。在此背景下，金剛石內(nèi)嵌負(fù)價(jià)氮原子-空位（negatively charged nitrogen-vacancy，NV）色心，成為生物成像檢測領(lǐng)域新的研究熱點(diǎn)。因?yàn)樵撐镔|(zhì)對弱磁場具有極強(qiáng)敏感能力，因此可實(shí)現(xiàn)超高空間分辨率的磁場測量。自然雜志在2014年2月的“特別報(bào)道”中，針對該研究在未來傳感檢測技術(shù)領(lǐng)域的引領(lǐng)作用給予了肯定1。根據(jù)NV色心金剛石磁場傳感的機(jī)理，其理論靈敏度可以達(dá)到亞fT/Hz1/2量級，空間分辨率可以達(dá)到亞nm量級，同時(shí)具有啟動速度快、測量速度快、超小型、低成本、長壽命及可常溫檢測等優(yōu)點(diǎn)。因此，該技術(shù)的研究具有重要的研究意義與廣闊的應(yīng)用前景。自從1997年實(shí)現(xiàn)了對帶單個負(fù)電荷的N原子空缺（NV）色心的檢測2以來，NV研究領(lǐng)域快速擴(kuò)展，目前NV色心體系被廣泛用于量子計(jì)算、量子存儲、量子傳感等領(lǐng)域的研究3,4，這些領(lǐng)域基本處于原理研究和實(shí)驗(yàn)研究階段。要實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算及存儲、量子傳感必須對金剛石色心進(jìn)行自旋極化、自旋操控、自旋檢測，而實(shí)現(xiàn)這些操作的基礎(chǔ)先為金剛石NV色心自旋提供相應(yīng)頻率一定要求的微波磁場，從而使得NV色心基態(tài)能級能夠被外界操控。對NV色心傳送微波是實(shí)現(xiàn)基于NV色心金剛石進(jìn)行物理和生物測量的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。較為傳統(tǒng)的微波傳輸方式主要用于單個色心的實(shí)驗(yàn)條件，如單根導(dǎo)線和共面超導(dǎo)等形式。這些微波傳送方式往往只在某一定點(diǎn)即單個NV色心處表現(xiàn)出較好的微波磁場傳送效果。同時(shí)由于單個色心在磁測量等應(yīng)用中表現(xiàn)出的低信噪比特性，目前的研究熱點(diǎn)普遍轉(zhuǎn)移到NV色心系綜上來，而傳統(tǒng)的單根導(dǎo)線微波傳送方式已經(jīng)不能有效的對NV色心系綜產(chǎn)生微波耦合，可見對NV色心系綜提供滿足一定均勻度的微波磁場顯得尤為重要。目前微波天線技術(shù)已經(jīng)非常成熟的應(yīng)用于通信、傳輸?shù)雀鱾€領(lǐng)域，在NV色心金剛石電子自旋操控與核自旋操控應(yīng)用背景下，研究適合于NV色心金剛石尺寸、輻射均勻性以及頻帶寬度的微波天線是進(jìn)行基于金剛石NV色心系綜磁測量等應(yīng)用的基礎(chǔ)與前提。本課題基于北京航空航天大學(xué)結(jié)構(gòu)限域介質(zhì)材料與內(nèi)嵌原子操控慣性測量平臺，利用HFSS仿真軟件提出幾種新型微波磁場諧振腔設(shè)計(jì)方案，并對各方案的磁場均勻性進(jìn)行對比總結(jié)從而進(jìn)一步優(yōu)化方案設(shè)計(jì)，最終探索用于平臺實(shí)驗(yàn)研究的微波磁場諧振腔應(yīng)用效果，以對金剛石色心的自旋極化、自旋操控、自旋檢測進(jìn)行探索性研究。二、國內(nèi)外研究概況及發(fā)展趨勢 目前世界上研究NV-色心金剛石的幾大研究小組，如Budker小組、Wrachup小組、Walsworth小組以及杜江峰小組普遍采用單根導(dǎo)線輻射微波的形式，如圖1所示，這種形式的微波天線制作簡單易于操作并且能夠?qū)崿F(xiàn)自選操控等實(shí)驗(yàn)要求。圖 1 單根導(dǎo)線式微波輻射方式德州農(nóng)機(jī)大學(xué)實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)使用的位于金剛石樣品四角位置的細(xì)長鍍膜天線，其博士論文中主要運(yùn)用了兩種形式的光刻鍍膜天線，能夠?qū)崿F(xiàn)較大平面的輻射范圍和有效的自旋操控。如圖2所示： 圖2 金剛石上光刻鍍膜輻射方式如圖3所示杜江峰小組除了單根導(dǎo)線模式還正在嘗試應(yīng)用鍍膜波導(dǎo)和諧振腔體方式輻射微波。中科院物理所潘新宇老師小組也采用了單根導(dǎo)線形式和鍍膜波導(dǎo)兩種輻射方式。同時(shí)，還有小組將微波單根導(dǎo)線與靜磁場線圈集成光刻在金剛石樣品上的輻射方式，也得到了有效地實(shí)際應(yīng)用。 圖3 金剛石鍍膜波導(dǎo)輻射方式金剛石NV色心基態(tài)分裂本質(zhì)上屬于電子自旋共振（ESR），基于此原理可以借鑒不同應(yīng)用背景下對固態(tài)薄片型樣品輻射微波場天線的設(shè)計(jì)方法。如圖4所示的微帶線式天線是將長條狀的金屬線并排鍍在基板上，并用功分器對每一條鍍線進(jìn)行耦合并激勵，從而在距離鍍線上方幾百微米處提供1001000m2區(qū)域的微波信號，均勻度達(dá)到10-2的微波磁場強(qiáng)度均勻區(qū)，同時(shí)均勻區(qū)的寬度與鍍線條數(shù)成正比。此均勻區(qū)的尺寸適合目前尺寸下的金剛石樣品中的NV-色心系綜的位置范圍。圖4 基板上微帶線輻射方式哈佛大學(xué)實(shí)驗(yàn)室與2014年發(fā)表的關(guān)于為金剛石NV色心提供均勻有效大強(qiáng)度微波磁場的論文，其中設(shè)計(jì)應(yīng)用的微波輻射天線如圖5所示，為雙開縫環(huán)形貼片天線。能夠提供比圓形或單根導(dǎo)線的饋送方式大50倍的區(qū)域內(nèi)8倍的微波場強(qiáng)，拉比振蕩頻率也相應(yīng)提高了數(shù)倍。圖5 雙開縫環(huán)形天線輻射方式在原子鐘系統(tǒng)中也有微波的應(yīng)用，為了將雙頻銣原子鐘小型化，微波腔的小型化顯得至關(guān)重要。論文中實(shí)現(xiàn)了輻射體積小于1cm的有效諧振腔微波輻射方式。諧振腔的方式也可借鑒到金剛石NV色心系綜系統(tǒng)中，但熒光的收集方式目前制約了這種方式的實(shí)際應(yīng)用，可以考慮在諧振腔內(nèi)鍍金屬反射膜來提高熒光收集率但同時(shí)金屬對諧振腔的振動振動模態(tài)也會產(chǎn)生影響。圖 6 原子鐘微波腔設(shè)計(jì)圖和實(shí)物圖高頻結(jié)構(gòu)仿真器（High Frequency Simulator Structure HFSS）是一款常用的功能完備、計(jì)算準(zhǔn)確的全波三維電磁場仿真軟件，是業(yè)界公認(rèn)的三維電磁場設(shè)計(jì)和分析的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，可分析仿真任意三維無源結(jié)構(gòu)的高頻電磁場，能直接得到特征阻抗、傳播常數(shù)、S參數(shù)及電磁場、輻射場、天線方向圖等結(jié)果。通過這款軟件仿真微波天線能夠?qū)崿F(xiàn)一下功能：（1）可通過交互式界面輸入高頻元件的幾何結(jié)構(gòu)、材料類型、端口位置、端口特征阻抗定義線等參數(shù)；（2）可按指定的精度計(jì)算多端口結(jié)構(gòu)端口處的S參數(shù)；（3）以電場強(qiáng)度E和磁場強(qiáng)度H作為基本物理量，從麥克斯韋方程出發(fā)，求解微波元件中的電場和磁場的分布和各種曲線圖形。以上幾點(diǎn)功能分別對應(yīng)于色心金剛石微波天線仿真過程中的模型建立、激勵添加和結(jié)果集中新型hongxinxing6qi66666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666分析。三、研究內(nèi)容及實(shí)驗(yàn)方案集中新型hongxinxing6qi66666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666 集中新型hongxinxing6qi666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666663.1研究內(nèi)容（1在ai6qi66666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666）對金剛石NV色心、微波傳感在ai6qi66666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666相關(guān)知識的基本掌握；在ai6qi66666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666（在ai6qi666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666662）掌握HFSS仿真軟件的使用；在ai6qi66666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666（在ai6qi666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666663）掌握在ai6qi66666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666掌握在ai6qi66666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666幾種在ai6qi66666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666微波磁場諧振器的設(shè)計(jì)，包括單根導(dǎo)線、微帶天線、共面超導(dǎo)和在ai6qi66666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666腔等形式在ai6qi66666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666；在ai6qi66666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666（4）對幾種不同形式的諧振器磁場均勻性進(jìn)行對比，總結(jié)變化規(guī)律并優(yōu)化設(shè)計(jì)；（在ai6qi666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666666665）探索新型微波磁場諧振器在平臺實(shí)驗(yàn)中的表現(xiàn)效果。3.2實(shí)驗(yàn)方案利用金剛石NV色心材料進(jìn)行磁測量實(shí)驗(yàn)裝置如圖7所示，本課題主要研究微波系統(tǒng)中為NV色心金剛石提供均勻微波磁場的諧振器，通過仿真設(shè)計(jì)優(yōu)化并最終用于實(shí)驗(yàn)裝置中。根據(jù)NV色心的能級圖如圖8所示，需要對金剛石輻射中心頻率在2.87GHz的微波信號來實(shí)現(xiàn)電子基態(tài)的分裂。同時(shí)為了更容易的實(shí)現(xiàn)自旋操控和得到更長的退相干時(shí)間，實(shí)驗(yàn)中將采用NV-電子自旋操控與氮原子核自旋操控的組合操控方式。氮原子與NV-色心電子產(chǎn)生超精細(xì)作用的自旋態(tài)能量間隙在MHz量級，這就要求微波天線需要150MHz左右的帶寬，從而能夠通過天線在合適的功率下實(shí)現(xiàn)最高效率和最高拉比振蕩頻率的操控氮原子核自旋。對于以NV色心系綜為敏感源的慣性測量與磁場測量，為了得到有效的測量信號應(yīng)盡量使系綜中各單一自旋受到相同程度的極化與操控，因此要求微波天線在金剛石樣品敏感區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生均勻的微波場，主要包括微波場幅度的均勻性和微波能量傳輸效率的均勻性。圖 7 結(jié)構(gòu)限域介質(zhì)材料慣性測量系統(tǒng)總設(shè)計(jì)圖圖 8 NV-色心金剛石能級躍遷圖四、目標(biāo)、主要特色及工作進(jìn)度4.1目標(biāo)集中新型hongxinxing7qi77777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777基于金剛石NV色心高精度集中新型hongxinxing7qi77777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777測量實(shí)驗(yàn)平臺，利用HFSS高頻結(jié)構(gòu)仿真器，集中新型hongxinxing7qi77777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777為NV色心系綜設(shè)計(jì)均勻有效的微波磁場諧振集中新型hongxinxing7qi77777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777集中新型hongxinxing7qi77777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777器，提出集中新型均勻微波磁場諧振器設(shè)計(jì)方案，并對仿真結(jié)果進(jìn)行對比分析從而進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。在ai7qi77777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777在ai7qi77777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777在ai7qi77777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777777最終探索新型均勻微波磁場諧振器用于實(shí)驗(yàn)研究的微波耦合效果。4.2主要特色本課題是主要基于金剛石NV色心高精度測量實(shí)驗(yàn)平臺進(jìn)行的均勻微波磁場諧振器設(shè)計(jì)研究，應(yīng)用背景新穎獨(dú)特，設(shè)計(jì)思路在國內(nèi)外具有創(chuàng)新性，具有較高的可行性和實(shí)用性。4.3工作進(jìn)度1、 查閱色心金剛石和均勻微波磁場諧振器資料并撰寫開題報(bào)告；03.0903.202、 掌握HFSS微波仿真軟件的設(shè)計(jì)使用； 03.2104.153、 提出針對色心金剛石應(yīng)用的均勻微波磁場諧振器的設(shè)計(jì)方案；04.1604.304、 對設(shè)計(jì)方案的微波磁場均勻性進(jìn)行對比總結(jié)和優(yōu)化； 05.0405.155、 探索色心金剛石微波系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)研究； 05.1605.316、 總結(jié)并撰寫論文，答辯。 06.0106.20參考文獻(xiàn)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,