ES2965432T3 - Método y dispositivo para medir campos magnéticos fuertes a escala nanométrica, por ejemplo en un cabezal de escritura/lectura de disco duro - Google Patents

Abstract

Se proponen un método y un dispositivo (1) para medir campos magnéticos fuertes a nanoescala. El dispositivo (1) comprende un elemento de posicionamiento (3) para posicionar una partícula (9) fotoluminiscente dependiente de un campo magnético (MFDP), tal como un centro de vacancia de nitrógeno, sirviendo un láser como fuente de luz (11) para iluminar el MFDP. partícula (9), un generador de microondas (15) para irradiar la partícula de MFDP (9) con radiación de microondas electromagnética, un fotodetector (17) para detectar la fotoluminiscencia de la partícula de MFDP (9) y un controlador (19). El controlador (19 está adaptado para controlar el elemento de posicionamiento (3), la fuente de luz (11), el generador de microondas (15) y un generador de campo magnético externo (21), tal como un cabezal de escritura/lectura de disco duro, de acuerdo comprendiendo el método: (a) posicionar la partícula de MFDP (9); (b) realizar manipulaciones para llevar la partícula de MFDP (9) a un nivel de excitación predeterminado; (c) aumentar una densidad de flujo magnético (B); d) irradiar la partícula de MFDP (9) con radiación electromagnética de microondas en un rango de frecuencia específico; (e) reducir la densidad del flujo magnético y (f) detectar un estado cuántico de la partícula de MFDP, por ejemplo midiendo una intensidad de fotoluminiscencia de la partícula de MFDP; De esta manera, la preparación y lectura del espín siempre se realiza en el régimen de campo bajo, mientras que la espectroscopia se puede realizar en un campo magnético alto arbitrario. De este modo, se pueden medir campos magnéticos fuertes con B > 10 mT, lo que permite, por ejemplo. para obtener imágenes del campo magnético de los cabezales de escritura del disco duro con resolución sub-nm, sensibilidad nanoTesla y rango dinámico Tesla simultáneamente. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN

Método y dispositivo para medir campos magnéticos fuertes a escala nanométrica, por ejemplo en un cabezal de escritura/lectura de disco duro

Aplicaciones relacionadas

La presente solicitud reivindica la prioridad de la solicitud de patente alemana N.° 102014 117428.3, presentada el 27 de noviembre de 2014.

Campo de la invención

La presente invención se refiere a la medición de campos magnéticos a escala nanométrica en la que los campos magnéticos pueden tener densidades de flujo magnético superiores a 10 militesla (B > 10 mT). En particular, la presente invención se refiere a un método y dispositivo que son adecuados para medir campos magnéticos fuertes a nanoescala, por ejemplo en un cabezal de escritura/lectura de disco duro.

Antecedentes de la invención

Los campos magnéticos se producen en diversas aplicaciones técnicas o biológicas. Para poder comprender mejor las propiedades de tales aplicaciones y permitir así, por ejemplo un mejor control de la fabricación, manipulación y/u operación de la aplicación, puede ser importante medir con precisión los campos magnéticos con respecto a sus extensiones espaciales, su fuerza y/o su comportamiento temporal. Preferiblemente, dichas mediciones deberían realizarse con alta resolución, por ejemplo con una resolución espacial en una escala nanométrica, una resolución de densidad de flujo magnético en una escala de nanotesla y/o con una resolución temporal en una escala de nanosegundos.

Como ejemplo, puede ser beneficioso obtener información precisa sobre los campos magnéticos generados en un cabezal de escritura/lectura de disco duro, a veces también denominado cabezal grabador de un disco duro. Estos cabezales son capaces de generar un campo magnético fuerte, por ejemplo más de 10 mT, frecuentemente más de 0,5 T, en áreas tan pequeñas como algunas decenas de nm2 (nanómetros cuadrados) para escribir y/o leer bits magnéticos individuales en un disco duro magnético. Por ejemplo, en los cabezales de escritura/lectura recientes, se pueden generar localmente en un área pequeña campos magnéticos con densidades de flujo de aproximadamente 1 T, disminuyendo bruscamente la densidad de flujo en el límite del área a lo largo de una distancia de unas pocas decenas de nanómetros. Además, dichos campos magnéticos pueden aumentar y disminuir muy rápidamente, por ejemplo en unos pocos nanosegundos.

La información medida con precisión sobre la distribución espacial y/o el comportamiento temporal de los campos magnéticos generados puede ayudar, por ejemplo, a desarrollar y diseñar nuevos cabezales de escritura/lectura. Además, dicha información se puede utilizar para probar funcionalmente los cabezales de escritura/lectura durante la producción.

Un método destacado para medir campos magnéticos delimitados localmente es la microscopía de fuerza magnética (MFM). Allí, el campo magnético se escanea con una nanoestructura magnética. A partir de una fuerza resultante sobre esta nanoestructura se puede reconstruir la intensidad del campo magnético.

Sin embargo, este método sólo permite una resolución espacial de más de unas pocas decenas de nanómetros. Además, la nanoestructura fuertemente magnética puede alterar negativamente el campo magnético que se ha de medir. Además, el MFM generalmente no es cuantitativo ni proporciona resolución temporal. Por lo tanto, la información obtenida por MFM puede no ser adecuada para caracterizar satisfactoriamente las características magnéticas de, por ejemplo, cabezales de escritura/lectura de discos duros, entre otras cosas, para desarrollar nuevas generaciones de dichos discos duros.

MAERTZ B y otros en "Microscopía de campo magnético vectorial utilizando centros de vacantes de nitrógeno en diamantes", APPLIED PHYSICS LETTERS, AMERICAN INSTITUTE OF PHYSICS, 2 HUNTINGTON OUADRANGLE, MELVILLE, NY 11747, vol. 96, núm. 9, 1 de marzo de 2010 (2010-03-01), páginas 92504-92504, XP012132411, ISSN: 0003-6951, DOI: 10.1063/13337096 describe mediciones de campos magnéticos utilizando centros NV en diamantes.

R. Schonfeld en "Lectura óptica de espines individuales para computación cuántica y detección magnética", Disertación, Fachbereich Physik der Freien Universitat Berlin, 1 de mayo de 2011 (2011-05-01), páginas 1-143, XP055143403 describe la lectura óptica de espines individuales para computación cuántica y detección magnética.

FUCHS G D y otros en "Una memoria cuántica intrínseca a centros individuales de vacantes de nitrógeno en diamantes", NATURE PHYSICS, NATURE PUBLISHING GROUP, LONDRES, GB, vol. 7, núm. 10, 1 de octubre de 2011 (2011-10-01), páginas 790-794, XP002692843, ISSN: 1745-2473 describe una memoria cuántica intrínseca a los centros individuales de vacantes de nitrógeno en el diamante.

Compendio de la invención

Por consiguiente, puede existir la necesidad de un método y un dispositivo para medir campos magnéticos fuertes con alta resolución espacial, resolución de densidad de flujo magnético y/o resolución temporal a nanoescala.

Tal necesidad puede satisfacerse con la materia según las reivindicaciones independientes. En las reivindicaciones dependientes se definen realizaciones ventajosas.

Según un primer aspecto, se propone un método para medir campos magnéticos fuertes a nanoescala. El método comprende entre otros:

(a) colocar una partícula fotoluminiscente dependiente del campo magnético muy cerca de un área que se ha de medir;

(b) realizar manipulaciones para llevar la partícula fotoluminiscente dependiente del campo magnético a un nivel de excitación predeterminado;

(c) aumentar gradualmente la densidad de flujo magnético en el área que se ha de medir;

(d) irradiar la partícula fotoluminiscente dependiente del campo magnético con radiación electromagnética de microondas en un intervalo de frecuencia específico;

(e) reducir gradualmente la densidad de flujo magnético en el área que se ha de medir; y

(f) detectar un estado cuántico de la partícula fotoluminiscente dependiente del campo magnético.

En tal método, los pasos (c) a (f) deben realizarse en el orden indicado. Los pasos (a) y (b) deben realizarse antes del paso (c) y pueden realizarse en el orden indicado o en orden inverso. Además, en el paso (a), la partícula fotoluminiscente dependiente del campo magnético y el área que se ha de medir deben colocarse adecuadamente entre ellos, lo que significa que la partícula fotoluminiscente dependiente del campo magnético puede desplazarse con respecto al área que se ha de medir o viceversa.

Según un segundo aspecto de la invención, se propone un método para analizar las propiedades de generación de campo magnético de un cabezal de escritura/lectura de disco duro, en el que el método utiliza realizaciones del método según el primer aspecto de la invención anterior.

Según un tercer aspecto de la invención, se propone un dispositivo para la medición localizada de un campo magnético fuerte a escala nanométrica. El dispositivo comprende un elemento de posicionamiento para posicionar una partícula con respecto al campo magnético que se ha de medir, una partícula fotoluminiscente dependiente del campo magnético que se proporciona en el elemento de posicionamiento, una fuente de luz tal como un láser para iluminar la partícula fotoluminiscente dependiente del campo magnético, un generador de microondas para irradiar la partícula fotoluminiscente dependiente del campo magnético con radiación de microondas electromagnética, un fotodetector para detectar la fotoluminiscencia de la partícula fotoluminiscente dependiente del campo magnético y un controlador. En el mismo, el controlador está adaptado para controlar el dispositivo de posicionamiento, la fuente de luz, el generador de microondas y un generador de campo magnético externo para generar el campo magnético fuerte que se ha de medir de una manera que está de acuerdo con el primer o segundo aspecto anterior de la invención. El generador de campo magnético externo puede ser, por ejemplo, un cabezal de escritura/lectura de disco duro que está adaptado para aumentar y disminuir rápidamente un campo magnético fuerte en áreas a nanoescala.

Las ideas sobre los aspectos y realizaciones anteriores de la invención pueden entenderse, entre otras cosas, como basadas en principios y conocimiento como se describe a continuación. Sin embargo, el alcance de la invención sólo quedará definido por las reivindicaciones.

Como se indica en la introducción, es posible que el MFM convencional no proporcione una resolución suficiente en términos de distribución local, comportamiento temporal y/o densidad de flujo de campos magnéticos fuertes, por ejemplo en un cabezal de escritura/lectura de disco duro moderno.

El enfoque descrito en la presente memoria propone utilizar propiedades beneficiosas de una partícula fotoluminiscente dependiente del campo magnético (en lo sucesivo denominada "partícula MFDP") como un sensor magnético a nanoescala. Generalmente, una partícula MFDP es una partícula que muestra una intensidad de fotoluminiscencia que depende del campo magnético en el que se encuentra la partícula MFDP. La fotoluminiscencia puede ser, por ejemplo una fluorescencia. Dicha partícula MFDP puede ser un único átomo, molécula, vacante localizada o una combinación de los mismos. Por consiguiente, dicha partícula MFDP puede tener dimensiones muy pequeñas de menos de 10 nm o preferiblemente incluso menos de 2 nm.

Por ejemplo, se ha descubierto que un centro NV (vacancia de nitrógeno) en un cristal de diamante sirve beneficiosamente como partícula MFDP. Como se describirá con más detalle a continuación, dichos centros NV pueden comprender un único átomo de nitrógeno implantado en un cristal de diamante y que tiene una vacante adyacente en la red cristalina en la que el centro NV se comporta de manera similar a un único átomo que tiene niveles de excitación predeterminados. El centro NV está localizado de forma fija dentro de la matriz reticular de diamante y, por lo tanto, puede ubicarse con precisión, por ejemplo uniendo una punta de diamante que comprende uno o más centros NV en una punta de un microscopio de fuerza atómica (AFM). Además, el centro NV muestra diversos estados cuánticos, tal como por ejemplo un espín triplete, es decir, tres estados de espín diferentes 0, -1 y 1. Por un lado, estos estados de espín difieren significativamente en sus propiedades de excitación, es decir, las propiedades fotoluminiscentes difieren fuertemente según en un estado de giro actual del centro NV. Por otro lado, los niveles de energía de cada uno de estos estados de espín dependen de un campo magnético en la ubicación del centro NV, es decir, los cambios de Zeeman se aplican a los niveles de energía que dependen de la densidad de flujo magnético. Las transiciones entre estados de espín pueden ser inducidas por la absorción resonante de radiación electromagnética de microondas. Por consiguiente, se puede realizar una medición del campo magnético real mediante espectroscopia electromagnética de microondas. El hecho de que la fotoluminiscencia del centro NV dependa de un nivel de excitación del centro NV, es decir, en cuál de los niveles de espín se encuentra actualmente el centro NV, se puede utilizar para determinar ópticamente, esto es midiendo la fotoluminiscencia del centro NV, si se produjo una absorción resonante de la radiación de microondas irradiada en un intervalo de frecuencia específico. En otras palabras, las propiedades de absorción de microondas se pueden leer ópticamente. A partir de la frecuencia de microondas absorbida resonantemente se puede deducir la densidad del flujo magnético en el lugar del centro NV.

Todas estas propiedades pueden utilizarse para aplicar el centro NV como un sensor muy sensible a campos magnéticos. El centro NV tiene dimensiones muy pequeñas de unos pocos nanómetros y puede posicionarse con mucha precisión en una escala nanométrica utilizando principios según se aplican, por ejemplo en un AFM. Además, la dependencia del campo magnético de los cambios de Zeeman de los niveles de espín triplete permite una sensibilidad extrema al campo magnético en un orden de nanotesla. Además, el centro NV reacciona muy rápidamente a los cambios en las densidades de flujo magnético, lo que en principio permite una alta resolución temporal en un orden de nanosegundos.

Sin embargo, se ha observado que con densidades de flujo magnético superiores a 10 mT, es decir, más de 100 Gauss, en el área que se ha de medir, es posible que ya no se pueda medir una dependencia inequívoca de la fluorescencia debido a la mezcla de los subniveles de espín.

Por lo tanto, se propone separar en el tiempo la espectroscopia, incluyendo la absorción de microondas electromagnética resonante de la medición de los estados cuánticos de la partícula MFDP, que puede implementarse, por ejemplo, como una medición óptica de la fotoluminiscencia del centro NV.

En otras palabras, el paso del método (b) de realizar manipulaciones para llevar la partícula MFDP a un nivel de excitación predeterminado y el paso del método (f) de detectar un estado cuántico de la partícula MFDP se realizan antes y después, respectivamente, de los pasos del método (c) y (e) de aumentar y disminuir la intensidad del campo magnético que, a su vez, se realizan antes y después, respectivamente, de la medición del campo magnético real en el paso (d). Por consiguiente, sólo el paso de excitar resonantemente los estados de espín del centro NV mediante irradiación de microondas se realiza en campos magnéticos elevados, mientras que el paso de leer ópticamente las propiedades de fotoluminiscencia del centro NV se realiza en campos magnéticos bajos o nulos. De este modo, se puede evitar cualquier problema de medición que de otro modo ocurriría durante la lectura óptica de las propiedades de fotoluminiscencia debido a la mezcla de niveles de espín en campos magnéticos elevados.

Según una realización de la invención, en el paso (b) del método, la partícula MFDP se lleva al nivel de excitación predeterminado usando iluminación con luz utilizando, por ejemplo, un dispositivo de iluminación, por ejemplo un láser. En otras palabras, antes de comenzar el procedimiento de espectroscopia real, la partícula<M f d P ,>es decir, por ejemplo el centro NV, se debe llevar a un estado de excitación definido, como por ejemplo un estado fundamental u otro de los estados de espín triplete. De este modo, la partícula MFDP se prepara para la espectroscopia posterior. Para ello se puede irradiar luz láser. Esta luz láser debe tener una frecuencia que permita el bombeo óptico del espín de la partícula MFDP a su estado fundamental para inducir el traslado de la partícula MFDP a su estado fundamental. En caso de que la partícula MFDP sea un centro NV, se puede aplicar luz láser irradiada con una frecuencia inferior a 637 nm. Por ejemplo, se puede utilizar un láser que emita a 532 nm.

Al arrancar de manera predefinida, por ejemplo en un estado fundamental de excitación, puede entonces iniciarse la espectroscopia irradiando la partícula MFDP a frecuencias de microondas específicas y detectando si se produjo una absorción de microondas resonante de tal manera que la partícula MFDP cambie a un estado excitado, cambiando así sus propiedades de fotoluminiscencia.

Alternativamente, la partícula MFDP puede prepararse primero en un estado fundamental mediante iluminación y luego puede prepararse en uno de sus estados de espín triplete excitados mediante absorción de microondas sin campo magnético o con un campo magnético bajo. Al estar la MFDP en dicho estado excitado, el campo magnético se puede aumentar y el proceso de espectroscopia real se puede realizar aplicando radiación electromagnética de microondas y verificando si se produce una emisión estimulada por resonancia.

Según una realización de la invención, en el paso (f), el estado cuántico de la partícula fotoluminiscente dependiente del campo magnético se detecta midiendo una intensidad de fotoluminiscencia de la partícula fotoluminiscente dependiente del campo magnético. En este caso, se puede utilizar que la fotoluminiscencia de la partícula MFDP pueda depender del estado cuántico actual de la partícula, de modo que este estado cuántico pueda leerse ópticamente midiendo la fotoluminiscencia. Por ejemplo, la fotoluminiscencia de un centro NV depende generalmente del estado cuántico que adopta actualmente el centro NV. Como alternativa a la lectura óptica del estado cuántico de la partícula MFDP, en principio este estado cuántico también puede detectarse por otros medios, como por ejemplo eléctricamente.

Según una realización de la invención, en los pasos (c) y (e) del método, el aumento y disminución de la densidad de flujo magnético se realiza de forma adiabática. Cambiar adiabáticamente la densidad del flujo magnético puede evitar que los estados de giro de la partícula MFDP se perturben durante la subida o bajada del campo magnético. En este caso, "adiabáticamente" puede significar que el aumento gradual se realiza lentamente con respecto a, por ejemplo, una división de campo cero de un centro NV que normalmente está a aproximadamente 3 GHz. Por ejemplo, el aumento y la disminución de la intensidad del campo magnético se puede realizar en una escala de tiempo de más de 1 ns, preferiblemente más de 3 ns, es decir, un barrido de campo a, por ejemplo, 1 T se puede realizar en una escala de tiempo más lenta que 3 ns.

Cabe señalar que en circunstancias específicas, en los pasos (c) y (e) del método, el aumento y la disminución de la densidad de flujo magnético se puede realizar de forma no adiabática, es decir, mucho más rápido que lo indicado anteriormente, preferiblemente de forma casi instantánea. En este caso, "casi instantáneamente" puede significar que el aumento gradual se realiza rápidamente con respecto a la diferencia de energía más pequeña entre los niveles de energía de un centro NV que se produce durante el aumento gradual. Este rápido aumento en rampa puede aceptarse, por ejemplo en circunstancias en las que el campo magnético está casi perfectamente alineado con el eje del centro NV. Por ejemplo, el aumento y disminución de la intensidad del campo magnético se puede realizar en una escala de tiempo de menos de 1 js , preferiblemente menos de 10 ns, más preferiblemente menos de 2 ns, en un campo magnético que está alineado con el eje NV con una desviación de menos de 10°.

Según una realización de la invención, el método propuesto comprende además reposicionar la partícula fotoluminiscente dependiente del campo magnético a lo largo del área que se ha de medir, escaneando así el área que se ha de medir y repitiendo los pasos del método (b) a (f) en cada posición. En otras palabras, las propiedades del campo magnético se pueden analizar a lo largo de una superficie macroscópica escaneando sucesivamente la partícula MFDP a lo largo de la superficie y realizando los pasos del método (b) a (f) en cada una de las múltiples posiciones de la superficie. En tal escenario, cuando la frecuencia de microondas aplicada durante la espectroscopia se mantiene constante para todas las posiciones, se puede proporcionar un mapa de la superficie medida que indica líneas de la misma densidad de flujo magnético, es decir, un "mapa de densidad de flujo iso".

Según una realización de la invención, en el método propuesto, el paso (d) de irradiar la partícula MFDP con radiación electromagnética de microondas en un intervalo de frecuencia específico se realiza después de aumentar completamente la densidad de flujo magnético. En otras palabras, primero, el campo magnético se eleva hasta su densidad de flujo máxima y luego se realiza la espectroscopia de absorción de microondas. Por consiguiente, el campo magnético se mide con la máxima densidad de flujo. En otras palabras, por ejemplo, cuando se analizan las propiedades magnéticas de un cabezal de lectura/escritura de disco magnético, la superficie del cabezal se puede mapear en un estado estacionario con la máxima generación de campo magnético.

Según una realización alternativa de la invención, en el método propuesto, el paso (d) se realiza durante el aumento de la intensidad del campo magnético. En otras palabras, el campo magnético no aumenta hasta su densidad de flujo máxima y sólo entonces se realiza la espectroscopia de absorción de microondas. En lugar de ello, el campo magnético se incrementa sólo hasta una densidad de flujo intermedia inferior a la densidad de flujo máxima y luego se realiza la espectroscopia de absorción de microondas. Por consiguiente, el campo magnético puede medirse espectroscópicamente con tales densidades de flujo intermedias. En tal realización, los pasos (b) a (f) se pueden repetir varias veces y el paso (d) se puede realizar en diferentes pasos durante el aumento de la intensidad del campo magnético. Cuando se realizan mediciones espectroscópicas a diversas densidades de flujo intermedias, es decir, cuando se realizan mediciones espectroscópicas en diversas etapas de un proceso de aumento del campo magnético, se puede medir un proceso resuelto en el tiempo que indica cómo evolucionan las propiedades magnéticas en un área que se ha de medir durante el incremento ascendente (o descendente) de un campo magnético. En otras palabras, por ejemplo, cuando se analizan las propiedades magnéticas de un cabezal de lectura/escritura de disco magnético, la superficie del cabezal se puede mapear con resolución temporal en estados de transición a diversas densidades de flujo magnético diferentes durante la generación del campo magnético.

Según una realización alternativa de la invención, el intervalo de frecuencia específico de la radiación electromagnética de microondas irradiada durante el campo magnético aumentado está dentro de 1 a 100 GHz, preferiblemente entre 5 y 50 GHz, y se conmuta o se le da forma en pulsos de una longitud entre 1 ns y 1 ms, preferiblemente entre 10 ns y 10 js , y produce un campo magnético oscilante entre 10 jT y 100 mT, preferiblemente entre 100 jT y 1 mT. Se ha demostrado que estos valores son adecuados para mediciones espectroscópicas de campos magnéticos de alta sensibilidad.

Cabe señalar que las posibles características y ventajas de las realizaciones de la invención se describen en la presente memoria en relación con diversos detalles del método de medición propuesto, así como del dispositivo de medición propuesto. Un experto en la técnica reconocerá que las diversas características pueden combinarse, adaptarse o reemplazarse para crear realizaciones adicionales del método o dispositivo propuesto, dentro del alcance de las reivindicaciones adjuntas, y posiblemente obtener efectos de sinergia.

Breve descripción de los dibujos

Los posibles aspectos, características y ventajas de las realizaciones de la presente invención son evidentes a partir de la siguiente descripción de realizaciones específicas con referencia a los dibujos adjuntos, en los que dicha descripción y dibujos no deben interpretarse como restrictivos de la invención, que sólo está limitada por los anexos. reclamos.

La figura 1 muestra un dispositivo para la medición localizada de un campo magnético fuerte según una realización de la presente invención.

La figura 2 muestra que los pasos del proceso visualizados y los parámetros físicos variaron durante tales pasos en un método para la medición localizada de un campo magnético fuerte según una realización de la presente invención.

Los dibujos son meramente esquemáticos y no están a escala.

Descripción de realizaciones preferidas de la invención

Según realizaciones de la presente invención, se propone una alternativa a la microscopía de fuerza magnética para medir campos magnéticos fuertes a nanoescala. En él, se utiliza una partícula fotoluminiscente dependiente del campo magnético (MFDP) como sensor de campo magnético de tamaño atómico. Tal sensor se puede utilizar, entre otras cosas, para medir campos magnéticos fuertes que superen los 10 mT generados, por ejemplo, en un área de superficie de un cabezal de escritura/lectura de disco duro magnético, es decir, un dispositivo que está específicamente adaptado para generar campos magnéticos fuertes a lo largo de áreas de superficie pequeñas de sólo unas pocas decenas de nm2 y a altas velocidades de aumento del campo magnético de hasta 1 Tins (un Tesla por nanosegundo) para permitir la escritura y/o lectura de bits individuales en un disco magnético.

Como ejemplo para una partícula MFDP, se puede usar un centro de nitrógeno vacante (NV) y se describirá con más detalle a continuación. Sin embargo, se pueden usar alternativamente otras partículas MFDP que tengan propiedades similares al centro NV descrito.

Las características generales del centro NV y los principios básicos de las aplicaciones que utilizan dichos centros NV se describen, entre otros, en un artículo de descripción general de L. Rondin y otros: "Magnetometría con defectos de vacantes de nitrógeno en diamantes", Rep. Prog. Física. 77056503 (2014) (también publicado como arXiv:1311.5214; http://arxiv.org/abs/1311.5214) y en un artículo general de MW Doherty y otros: "El centro de color de nitrógeno vacante en diamante", Physics Reports 528, 1 (2013) (también publicado en http://arxiv.org/abs/1302.3288). Se puede obtener más información de P. Maletinsky y otros: "Un sensor robusto de diamante de escaneo para imágenes a nanoescala con centros únicos de vacantes de nitrógeno", nanotecnología de la naturaleza, vol. 7, mayo 2012, pág.

320 y siguientes y de J.P. Tetienne y otros: "Imágenes a nanoescala y control del salto de pared de dominio con un microscopio con centro de vacantes de nitrógeno", Science, vol. 344, número 6190, 20 de junio de 2014, págs. 1366 y siguientes. Patentes EP 2 163392 B1 y US 7,752,899 B1 se relacionan con aplicaciones de centros NV.

En resumen, un centro NV es un centro de color en diamante, que puede usarse como un sensor de campo magnético de tamaño atómico realizando espectroscopia de sus subniveles de espín, seguido de una lectura óptica de espín.

El centro NV es un centro de color en diamante con una transición óptica fluorescente en rojo (637 nm) y un estado fundamental de espín triplete que comprende tres estados etiquetados con m S = -1,0,+1. Como característica más llamativa, la intensidad de su fluorescencia depende del estado de su espín electrónico en estado fundamental, es decir, es más brillante en el estado m S =0 que en los estados m S =+/-1, de modo que el estado de espín del centro puede leerse ópticamente. Los campos magnéticos pueden medirse mediante espectroscopia de microondas del desplazamiento de Zeeman del espín en un campo magnético. Este esquema requiere la lectura del giro como paso final.

Esta característica permite una aplicación importante: el uso de un solo centro como sensor de campo magnético de tamaño atómico. Aquí, el campo magnético se mide mediante espectroscopia de precisión del desplazamiento de Zeeman dependiente del campo de un centro. Esto puede realizarse, por ejemplo, mediante excitación con un microondas electromagnético de banda estrecha. Precisamente, este esquema contiene tres pasos: 1) El centro se inicializa en el estado fundamental brillante m S = 0 mediante excitación láser. 2) El estado fundamental del espín es excitado por un microondas de banda estrecha, que cambia el estado de espín al estado oscuro m S = 1 si y sólo si el campo magnético tiene un valor particular adecuado para cambiar la transición 0->1 a resonancia con la frecuencia de microondas. 3) Una excitación de espín exitosa se detecta mediante lectura óptica de los subniveles de espín del centro.

Desafortunadamente, este esquema no funciona en campos B > 10mT (= 100G), ya que la lectura de espín del centro NV se vuelve imposible en este régimen de campo alto. En estos campos elevados, la fluorescencia ya no depende del estado de espín, debido a la mezcla de los subniveles de espín.

Por consiguiente, en la presente memoria se propone un protocolo que solucione este problema. Como herramienta principal, emplea un barrido rápido del campo magnético para realizar espectroscopia, es decir, la medición del campo magnético real, en un campo magnético más alto que la inicialización y lectura del espín. De esta manera, la preparación y lectura del espín siempre se realiza en el régimen de campo bajo, mientras que la espectroscopia se puede realizar en un campo magnético alto arbitrario, superior a 10 mT.

En otras palabras, se propone solucionar el problema anterior y hacer que el centro NV sea utilizable para mediciones de campos magnéticos elevados. Aquí, tanto la preparación de giro como la lectura se realizan en campo bajo como antes. Por el contrario, la espectroscopia, es decir, la medición del campo magnético real, se realiza en un campo magnético elevado, aumentando el campo que se ha de medir entre la fase de preparación y la espectroscopia. El campo que se ha de medir aumenta adiabáticamente antes de la fase de espectroscopia y vuelve a un valor bajo antes de la lectura del espín óptico. La espectroscopia en sí se puede realizar en campos magnéticos elevados, ya que no requiere excitación óptica y, por lo tanto, es insensible a la mezcla de niveles. Después de reducir el campo, el resultado de la espectroscopia se lee en un paso final en campo bajo. En general, esto permite la medición (espectroscopia) de campos elevados, mientras que la lectura de espín se puede realizar en campos bajos.

Cabe señalar que el aumento gradual del campo no perturba el estado de giro del centro siempre que los incrementos se realicen adiabáticamente, es decir, lentas contra, por ejemplo, una división de campo cero de un centro NV de 3 GHz. En la práctica, esto requiere que se realice un barrido de campo a 1T en una escala de tiempo más lenta que 3ns, es decir, un aumento y disminución de la densidad de flujo magnético con una velocidad de menos de aprox.

0,3T/ns, lo que no debería ser motivo de preocupación para las aplicaciones.

En particular, el esquema es adecuado para obtener imágenes del campo magnético de los cabezales de escritura del disco duro. Estos dispositivos producen un campo fuerte (T), que puede aumentar y disminuir de manera fiable en una escala de tiempo ns. Por lo tanto, el empleo de este protocolo en un magnetómetro de sonda de escaneo debería permitir obtener imágenes del campo magnético de los cabezales de escritura con resolución sub-nm, sensibilidad nanoTesla, resolución de tiempo de nanosegundos e intervalo dinámico Tesla simultáneamente.

Las características de un dispositivo 1 para medir un campo magnético fuerte a nanoescala según una realización de la presente invención se describen ahora con referencia a la figura 1.

El dispositivo 1 comprende un elemento de posicionamiento 3. El elemento de posicionamiento 3 está configurado de manera similar a un microscopio de fuerza atómica. Un voladizo 5 puede posicionarse con precisión en un intervalo nanométrico usando, por ejemplo, elementos piezoeléctricos. En un extremo del voladizo 5 está previsto un apoyo de soporte 7. En una punta de este apoyo de soporte 7 se puede sujetar un pequeño cristal de diamante. El cristal de diamante puede tener un tamaño de unas pocas decenas de nanómetros y puede posicionarse con precisión mediante el elemento de posicionamiento 3. Por consiguiente, el cristal de diamante puede escanearse con precisión a lo largo de un área de una superficie que se ha de medir. Como alternativa, en principio se puede desplazar la superficie que se ha de medir con respecto al cristal de diamante manteniéndolo estacionario.

Incorporadas en el cristal de diamante hay una o varias partículas MFDP 9 en forma de centros NV. Por tanto, utilizando el elemento de posicionamiento 3, la partícula MFDP 9 puede posicionarse a escala nanométrica.

Además, el dispositivo 1 comprende una fuente de luz 11, tal como un láser, para iluminar la partícula MFDP 9. El láser puede ser un láser Nd:YAG que emite a una frecuencia de, por ejemplo, 532 nm con una potencia de, por ejemplo, 1 mW, potencialmente cortado en pulsos de 10 ns-2 ps de longitud. El láser está dispuesto y orientado de tal manera que la luz láser emitida 13 se dirige hacia la partícula MFDP 9.

El dispositivo 1 comprende además un generador de microondas electromagnético 15. El generador de microondas 15 está adaptado y dispuesto para irradiar la partícula MFDP 9 con radiación de microondas electromagnética en un intervalo de frecuencia de 1 - 100 GHz que puede conmutarse o conformarse en pulsos con una longitud del intervalo de 1ns-1ms.

Además, el dispositivo 1 comprende un fotodetector 17 que es suficientemente sensible para detectar la fotoluminiscencia de la partícula MFDP 9.

Finalmente, el dispositivo 1 comprende un controlador 19. Este controlador 19 está adaptado para controlar varios componentes, incluido el dispositivo de posicionamiento 3, la fuente de luz 11 y el generador de microondas 15. Además, el controlador 19 comprende una interfaz con la que puede controlar un controlador generador de campo magnético externo 21 para generar el campo magnético fuerte que se ha de medir. Dicho generador de campo magnético externo 21 puede ser, por ejemplo, un cabezal de escritura/lectura de disco magnético.

Usando el controlador 19, los componentes del dispositivo 1 y el generador de campo magnético externo 21 pueden controlarse de acuerdo con un protocolo de ejemplo para realizar un método según la presente invención. El protocolo se describirá ahora con referencia a la figura 2.

La figura 2 incluye columnas que representan varios pasos del método (a) a (f) que generalmente corresponden a los pasos del método descritos anteriormente con respecto al primer aspecto de la invención. Las líneas (I) a (IV) visualizan algunas propiedades físicas o parámetros durante estos pasos del método.

La línea (I) visualiza un triplete de niveles de excitación m S = 0, -1 y 1 de un centro NV. En particular, se muestran en las columnas (c) a (e) los cambios de Zeeman de tales niveles al aumentar los campos magnéticos.

La línea (II) indica un estado ENCENDIDO (= "1") o APAGADO (= "0") del láser 11 para iluminar la partícula MFDP 9.

La línea (III) visualizó una densidad de flujo magnético B generada por el generador de campo magnético externo 21. La densidad de flujo magnético varía entre un campo magnético bajo, por ejemplo significativamente menor que 10 mT y un campo magnético elevado, por ejemplo significativamente mayor que 100 mT.

Finalmente, la línea (IV) indica un estado ENCENDIDO (= "1") o APAGADO (= "0") del generador de microondas 15.

El protocolo visualizado en la figura 2 comprende los siguientes pasos:

En el paso (a), la partícula MFDP 9 se coloca en una ubicación deseada muy cerca de un área que se ha de medir en la superficie del generador de campo magnético externo 21. Para ello, el control 19 controla el elemento de posicionamiento 3 con el fin de desplazar el voladizo 5 de tal manera que la partícula MFDP 9 unida al soporte portador 7 esté colocada con precisión en la ubicación deseada.

En el paso (b), se realizan manipulaciones para llevar la partícula MFDP 9 a un nivel de excitación predeterminado. Específicamente, el láser 11 irradia un centro NV con luz láser 13 de una frecuencia de 532 nm. De este modo, el centro NV puede establecerse en su estado fundamental de giro mediante bombeo óptico de modo que el centro NV esté en un nivel de giro definido antes de continuar con el protocolo. Opcionalmente, el centro NV puede transferirse desde su nivel del suelo m S = 0 a uno de los otros niveles de espín triplete mediante irradiación magnética de microondas de modo que el nivel de excitación predeterminado no sea m S = 0 sino uno de m S = 1 o m S = -1.

Posteriormente, en el paso (c), la densidad de flujo magnético en el área que se ha de medir se aumenta hasta más de 10 mT. Para este propósito, el controlador 19 controla el generador de campo magnético externo 21, es decir, por ejemplo un cabezal de escritura/lectura de disco duro, para aumentar su campo magnético en un área restringida que se ha de medir. El generador de campo magnético externo 21 puede ser, por ejemplo, controlado para aumentar gradualmente hasta una densidad de flujo magnético máxima, es decir, para aumentar completamente.

Alternativamente, se puede controlar para aumentar gradualmente hasta una densidad de flujo magnético intermedia inferior a la densidad de flujo magnético máxima, es decir, se puede interpretar que los pasos posteriores del método se realizan durante el aumento gradual del campo B. En este caso, los pasos posteriores del método pueden repetirse en instantes particulares durante la fase de aceleración, lo que permite obtener un análisis dependiente del tiempo del proceso de aceleración de la densidad de flujo magnético (véanse ramas (iii) en la figura 2).

Luego, en el paso (d), la partícula MFDP 9 es irradiada por el generador de ondas electromagnéticas 15 con radiación electromagnética de microondas en un intervalo de frecuencia específico. Dependiendo del intervalo de frecuencia irradiada, la absorción resonante o la emisión estimulada pueden ocurrir o no en el centro NV, cambiando así su estado de excitación desde el estado inicial preparado inicialmente en el paso (b), por ejemplo el estado m S = 0, a uno de los otros estados tripletes, por ejemplo m S =+/-1.

Después de tal espectroscopia, en el paso (e), la densidad de flujo magnético en el área que se ha de medir se reduce nuevamente a menos de 10 mT. Al igual que el proceso de aceleración, esta disminución también se realiza de forma adiabática, es decir, en una escala de tiempo inferior a 3 ns.

Finalmente, en el paso (f), se mide una intensidad de fotoluminiscencia emitida por la partícula MFDP 9 utilizando el fotodetector 17. Para ello, la partícula MFDP 9 se irradia nuevamente con la fuente de luz 11. Dependiendo de si hay o no absorción de microondas resonante o se ha inducido una emisión estimulada durante la espectroscopia en el paso (d), se modifican las propiedades de fotoluminiscencia de la partícula MFDP 9. Por consiguiente, los resultados de la espectroscopia se pueden leer ópticamente midiendo la fotoluminiscencia de la partícula MFDP.

Los pasos (b) a (f) o (c) a (f) se pueden repetir con diferentes frecuencias de microondas electromagnéticas para realizar un análisis espectroscópico completo (véanse ramas (ii) o (iii) en la figura 2).

Los pasos (a) a (f) se pueden repetir en diferentes ubicaciones a lo largo de un área que se ha de medir para obtener un mapa de resolución espacial de las propiedades de densidad de flujo magnético a lo largo de esta área (véase rama (i) en la figura 2). Si la frecuencia de las microondas electromagnéticas utilizadas para la espectroscopia en el paso (d) se mantiene constante, se puede adquirir un "mapa de densidad de flujo iso". Alternativamente, la espectroscopia se puede realizar a diversas frecuencias de las microondas electromagnéticas, permitiendo así obtener imágenes resueltas por flujo magnético similar al enfoque descrito por T. Haeberle y otros en: "Imágenes de alto rango dinámico de campos magnéticos a nanoescala utilizando el control óptimo de un solo Qubit", Physical Review Letter, 111, 170801 (2013).

En general, las realizaciones del método y dispositivo propuestos en la presente memoria permiten múltiples ventajas tales como:

• alta resolución espacial que sólo está limitada por el tamaño de la partícula MFDP que, en el caso de un centro NV, es atómicamente pequeña, es decir, en la escala sub-nm;

• se permiten mediciones cuantitativas ya que, en principio, los tres componentes vectoriales de un campo magnético pueden medirse cuantitativamente;

• las mediciones se pueden realizar sin alterar negativamente el sensor con el campo que se ha de medir como, por ejemplo, el campo magnético de un centro NV es cinco órdenes de magnitud más débil que el campo magnético de un cabezal de escritura/lectura de disco duro;

• se permiten mediciones resueltas en el tiempo mediante protocolos de espectroscopía adecuados. Por ejemplo, se puede realizar una especie de imágenes en cámara lenta para visualizar cambios del campo magnético dependientes del tiempo en un intervalo de nanosegundos;

Por último, cabe señalar que los términos "comprenden", "tienen", etc. no deben excluir la presencia de otros elementos adicionales. Términos como "un" o "uno" no excluyen la presencia de una pluralidad de elementos o materias. Los números de referencia en las reivindicaciones sirven únicamente para una mejor legibilidad y no deben restringir de ninguna manera el alcance de la protección de las reivindicaciones.

Lista de signos de referencia

I dispositivo para medir campos magnéticos fuertes.

3 elemento de posicionamiento

5 voladizo

7 soporte de apoyo

9 partícula MFDP

I I fuente de luz

13 luz

15 generador de microondas electromagnético

17 fotodetector

19 controlador

21 generador de campo magnético externo

Claims (15)

REIVINDICACIONES

1. Método para medir una densidad de flujo magnético (B) de campos magnéticos fuertes en un área que se ha de medir a nanoescala mediante la detección de un estado cuántico de una partícula fotoluminiscente dependiente del campo magnético, comprendiendo el método:

(a) colocar la partícula fotoluminiscente (9) dependiente del campo magnético muy cerca del área que se ha de medir;

(b) realizar manipulaciones para llevar la partícula fotoluminiscente (9) dependiente del campo magnético a un nivel de excitación predeterminado;

(c) aumentar gradualmente la densidad de flujo magnético (B) en el área que se ha de medir;

(d) irradiar la partícula fotoluminiscente (9) dependiente del campo magnético con radiación electromagnética de microondas en un intervalo de frecuencia específico;

(e) reducir gradualmente la densidad de flujo magnético en el área que se ha de medir;

(f) detectar el estado cuántico de la partícula fotoluminiscente dependiente del campo magnético, en el que los pasos (c) a (f) se realizan en el orden indicado y los pasos (a) y (b) se realizan antes del paso (c), y

en el que, en el paso (f), el estado cuántico detectado es el estado cuántico detectado inducido durante el paso (d).

2. Método según la reivindicación 1, en el que la partícula fotoluminiscente (9) dependiente del campo magnético es un centro NV en un cristal de diamante.

3. Método según la reivindicación 1 o 2, en el que en el paso (c) la densidad de flujo magnético en el área que se ha de medir se aumenta gradualmente hasta densidades de flujo magnético que superan los 10 mT.

4. Método según una de las reivindicaciones anteriores, en el que en el paso (b) la partícula fotoluminiscente (9) dependiente del campo magnético se lleva al nivel de excitación predeterminado mediante iluminación con luz (13).

5. Método según una de las reivindicaciones anteriores, en el que el estado cuántico de la partícula fotoluminiscente dependiente del campo magnético se detecta midiendo una intensidad de fotoluminiscencia de la partícula fotoluminiscente dependiente del campo magnético.

6. Método según una de las reivindicaciones anteriores, en el que en los pasos (c) y (e) el aumento y la disminución graduales de la densidad de flujo magnético se realiza de forma adiabática.

7. Método según una de las reivindicaciones anteriores, en el que en los pasos (c) y (e) el aumento y la disminución graduales de la densidad de flujo magnético se realiza en una escala de tiempo de más de 1 ns.

8. Método según una de las reivindicaciones anteriores, que comprende además reposicionar la partícula fotoluminiscente (9) dependiente del campo magnético a lo largo del área que se ha de medir, escaneando así el área que se ha de medir y repitiendo los pasos (b) a (f) en cada posición

9. Método según una de las reivindicaciones anteriores, en el que el paso (d) se realiza después de un aumento completo de la densidad de flujo magnético.

10. Método según una de las reivindicaciones 1 a 8, en el que el paso (d) se realiza durante el aumento gradual de la densidad de flujo magnético.

11. Método según la reivindicación 10, en el que los pasos (b) a (f) se repiten varias veces y en el que el paso (d) se realiza en diferentes pasos durante el aumento gradual de la densidad de flujo magnético.

12. Método según una de las reivindicaciones anteriores, en el que el intervalo de frecuencia específico de la radiación electromagnética de microondas irradiada se sitúa entre 1 y 100 GHz, preferiblemente entre 5 y 50 GHz, y se conmuta o se configura en impulsos de una longitud de entre 1 ns y 1 ms, preferiblemente de entre 10 ns y 10 js , y produce un campo magnético oscilante de entre 10 jT y 100 mT, preferiblemente de entre 100 jT y 1 mT.

13. Método según una de las reivindicaciones 1 a 12, en el que sólo el paso de irradiar con radiación electromagnética de microondas se realiza con la densidad de flujo magnético aumentada, mientras que el paso de detectar el estado cuántico de la partícula fotoluminiscente dependiente del campo magnético es siempre se realiza después de reducir gradualmente la densidad de flujo magnético.

14. Método para analizar las propiedades de generación de campo magnético de un cabezal de escritura/lectura de disco duro usando el método según una de las reivindicaciones 1 a 13.

15. Dispositivo (1) para la medición localizada de un campo magnético fuerte a nanoescala, comprendiendo el dispositivo:

un elemento de posicionamiento (3) para posicionar una partícula con respecto al campo magnético que se ha de medir;

una partícula fotoluminiscente (9) dependiente del campo magnético que está prevista en el elemento de posicionamiento (3);

una fuente de luz (11) para iluminar la partícula fotoluminiscente (9) dependiente del campo magnético; un generador de microondas (15) para irradiar la partícula fotoluminiscente (9) dependiente del campo magnético con radiación electromagnética de microondas;

un fotodetector (17) para detectar la fotoluminiscencia de la partícula fotoluminiscente (9) dependiente del campo magnético;

un controlador (19);

en el que el controlador (19) está adaptado para controlar, según un método de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 a 13, el elemento de posicionamiento (3), la fuente de luz (11),el generador de microondas (15) y un generador de campo magnético externo (21), tal como un cabezal de escritura/lectura de disco duro, para generar el campo magnético fuerte que se ha de medir.