KR20170108055A - 자기 검출 시스템에서의 고감도 자력 측정 및 신호 처리를 위한 장치 및 방법 - Google Patents
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Abstract
자기 검출을 위한 시스템은 질소 공석(NV) 다이아몬드 물질, 무선 주파수 (RF) 여기 소스, 광학 여기 소스, 광학 검출기, 자기장 발생기 및 제어기를 포함 할 수 있다. 상기 제어기는 제 1 펄스 시퀀스를 인가하도록 여기 소스를 제어할 수있다. 상기 제어기는 상기 제 1 펄스 시퀀스로 인해 제 1 광 검출 신호를 수신하고 제 1 및 제 2 기준 기간에서 상기 제 1 광 검출 신호의 제 1 및 제 2 값을 측정하고 제 1 측정치를 계산할 수 있다. 상기 제어기는 제 2 펄스 시퀀스를 인가하도록 상기 여기 소스를 더 제어하고, 상기 제 2 펄스 시퀀스로 인한 제 2 광 검출 신호를 수신하고, 제 1 및 제 2 기준 기간에서 상기 제 2 광 검출 신호의 제 1 및 제 2 값을 측정하고, 제 2 측정치를 계산할 수 있다. 상기 제 1 및 제 2 측정치는 상기 NV 다이아몬드 물질의 고 공진 주파수 및 저 공진 주파수에 기초 할 수 있다.
Description
이 출원은, 전체 내용이 여기에 온전히 참조로 병합된, 2015년 1월 23일 출원한 미국특허출원 제62/107,289호에 대한 우선권의 이점을 청구한다.
본 개시는 일반적으로 자기 검출 시스템에 관한 것이며, 더 상세하게는, 자기 검출 시스템을 위한 측정 및 신호 처리 방법에 관한 것이다.
물리학 및 화학과 같은 과학 영역뿐 아니라, 의료 장치, 통신 장치 및 내비게이션 시스템을 포함하지만, 그에 제한되지는 않는 다수의 산업용 애플리케이션들은 자기 검출 및 영상에서 이익을 얻을 수 있다. 다수의 진보적 자기 영상 시스템은, 대기 조건을 요구하는 영상 장치에 그들이 적용될 수 없게 하는, 예를 들어, 고 진공 및/또는 극저온 온도와 같은 제한 조건에서 동작할 수 있다. 또한, 적정한 감도, 벡터 정확도 및 밴드 폭의 SWAP(small size, weight and power) 자기 센서들이 다수의 애플리케이션에서 가치가 크다.
다이아몬드에 있는 원자 크기의 질소 공석(nitrogen vacancy)은 자기장 측정에 우수한 감도를 가지는 것으로 보이며, 현존 기술(예를 들어, 홀 효과(hall effect) 시스템 및 장치를 쉽게 대체할 수 있는 소형 자기 센서의 제조를 가능하게 한다. 다이아몬드 NV(DNV) 센서의 감지 능력은 실내 온도 및 대기압에서 유지되며, 이들 센서는 액체 환경(예를 들어, 생물학적 영상을 위해)에서도 사용될 수 있다. DNV 검출은, 통신, 지질학적 검출, 내비게이션, 및 자세(attitude) 결정을 포함한, 매우 광범위한 애플리케이션을 가로질러 유익할 수 있는 3-D 벡터 자기장의 측정을 허용한다.
특정 실시형태에 따르면, 자기 검출을 위한 시스템은, 복수의 NV 중심들을 포함하는 질소 공석(NV) 다이아몬드 물질; RF 여기를 상기 NV 다이아몬드 물질에 제공하도록 구성된 무선 주파수(RF) 여기 소스; 광학 여기를 상기 NV 다이아몬드 물질에 제공하도록 구성된 광학 여기 소스; 상기 NV 다이아몬드 물질에 의해 방출된 광학 신호를 수신하도록 구성된 광학 검출기; 상기 NV 다이아몬드 물질에 인가된 자기장을 생성하도록 구성된 자기장 생성기; 및 제어기를 포함할 수 있다. 상기 제어기는 2 개의 광학 여기 펄스 및 2 개의 RF 여기 펄스를 포함하는 제 1 펄스 시퀀스를 상기 NV 다이아몬드 물질에 인가하도록 상기 광학 여기 소스 및 상기 RF 여기 소스를 제어하고; 상기 제 1 펄스 시퀀스로 인해 상기 NV 다이아몬드 물질에 의해 방출된 광학 신호에 기초하여 상기 광학 검출기로부터 제 1 광 검출 신호를 수신하고; 상기 NV 다이아몬드 물질에 제공된 상기 제 1 펄스 시퀀스의 2 개의 RF 여기 펄스와 관련된 상기 제 1 광 검출 신호의 기간(period) 이전의 제 1 기준 기간에서 상기 제 1 광 검출 신호의 제 1 값을 측정하고; 상기 NV 다이아몬드 물질에 제공된 상기 제 1 펄스 시퀀스의 2 개의 RF 여기 펄스와 관련된 상기 제 1 광 검출 신호의 상기 기간 이후의 제 2 기준 기간에서 상기 제 1 광 검출 신호의 제 2 값을 측정하고; 상기 제 1 광 검출 신호의 측정된 제 1 및 제 2 값들에 기초하여 제 1 측정치를 계산하고; 2 개의 광학 여기 펄스 및 2 개의 RF 여기 펄스를 포함하는 제 2 펄스 시퀀스를 상기 NV 다이아몬드 물질에 인가하도록 상기 광학 여기 소스 및 상기 RF 여기 소스를 제어하고; 상기 제 2 펄스 시퀀스로 인해 상기 NV 다이아몬드 물질에 의해 방출된 광학 신호에 기초하여 상기 광학 검출기로부터 제 2 광 검출 신호를 수신하고; 상기 NV 다이아몬드 물질에 제공된 상기 제 2 펄스 시퀀스의 2 개의 RF 여기 펄스와 관련된 상기 제 2 광 검출 신호의 기간 이전의 제 1 기준 기간에서 상기 제 2 광 검출 신호의 제 1 값을 측정하고; 상기 NV 다이아몬드 물질에 제공된 상기 제 2 펄스 시퀀스의 2 개의 RF 여기 펄스와 관련된 상기 제 2 광 검출 신호의 기간 이후의 제 2 기준 기간에서 상기 제 2 광 검출 신호의 제 2 값을 측정하고; 상기 제 2 광 검출 신호의 상기 측정된 제 1 및 제 2 값들에 기초하여 제 2 측정치를 계산하도록 구성될 수 있다. 상기 제 1 측정치는 상기 NV 다이아몬드 물질의 고(high) 공진 주파수에 기초할 수 있고, 상기 제 2 측정치는 상기 NV 다이아몬드 물질의 저(low) 공진 주파수에 기초할 수 있다.
일 측면에 따르면, 상기 고 공진 주파수 및 상기 저 공진 주파수는 상기 NV 다이아몬드 물질의 NV 중심의 축과 관련된 공진 주파수일 수 있다.
일 측면에 따르면, 제어기는 상기 제 1 및 제 2 측정치들에 기초하여 상기 NV 다이아몬드 물질에 작용하는 외부 자기장의 변화를 계산하도록 추가로 구성될 수 있다.
다른 실시형태들에 따르면, 자기 검출을 위한 시스템은, 복수의 NV 중심들을 포함하는 질소 공석(NV) 다이아몬드 물질; RF 여기를 상기 NV 다이아몬드 물질에 제공하도록 구성된 무선 주파수(RF) 여기 소스; 광학 여기를 상기 NV 다이아몬드 물질에 제공하도록 구성된 광학 여기 소스; 상기 NV 다이아몬드 물질에 의해 방출된 광학 신호를 수신하도록 구성된 광학 검출기; 상기 NV 다이아몬드 물질에 인가된 자기장을 생성하도록 구성된 자기장 생성기; 및 제어기를 포함할 수 있다. 상기 제어기는 2 개의 광학 여기 펄스 및 2 개의 RF 여기 펄스를 포함하는 펄스 시퀀스를 상기 NV 다이아몬드 물질에 인가하도록 상기 광학 여기 소스 및 상기 RF 여기 소스를 제어하고; 상기 펄스 시퀀스로 인해 상기 NV 다이아몬드 물질에 의해 방출된 광학 신호에 기초하여 상기 광학 검출기로부터 광 검출 신호를 수신하고; 상기 NV 다이아몬드 물질에 제공된 상기 2 개의 RF 여기 펄스와 관련된 상기 광 검출 신호의 기간 이전의 제 1 기준 기간에서 상기 광 검출 신호의 제 1 값을 측정하고; 상기 NV 다이아몬드 물질에 제공된 상기 2 개의 RF 여기 펄스와 관련된 상기 광 검출 신호의 상기 기간 이후의 제 2 기준 기간에서 상기 광 검출 신호의 제 2 값을 측정하고; 상기 측정된 제 1 및 제 2 값들에 기초하여 측정 신호를 계산하도록 구성될 수 있다.
일 측면에 따르면, 상기 제어기는 상기 제 1 기준 기간 및 상기 제 2 기준 기간 내의 상기 광 검출 신호의 값들의 평균에 기초하여 상기 제 1 값 및 상기 제 2 값을 측정하도록 추가로 구성될 수 있다.
일 측면에 따르면, 상기 제어기는 상기 제 1 값 및 상기 제 2 값의 상기 평균에 기초하여 상기 측정 신호를 계산하도록 추가로 구성될 수 있다.
일 측면에 따르면, 상기 제어기는 상기 제 1 기준 기간 이후 및 상기 제 2 기준 기간 이전의 신호 기간에서 상기 광 검출 신호의 제 3 값을 측정하도록 추가로 구성될 수 있다.
일 측면에 따르면, 상기 제어기는 상기 제 1 값 및 상기 제 2 값의 평균과 상기 제 3 값 사이의 차이에 기초하여 상기 측정 신호를 계산하도록 추가로 구성될 수 있다.
일 측면에 따르면, 상기 제 1 기준 기간은 상기 2 개의 광학 여기 펄스 중 하나와 관련될 수 있고, 상기 제 2 기준 기간은 상기 2 개의 광학 여기 펄스 중 다른 하나와 관련될 수 있다.
다른 실시형태들에 따르면, 자기 검출을 위한 시스템은, 복수의 NV 중심들을 포함하는 질소 공석(NV) 다이아몬드 물질; RF 여기를 상기 NV 다이아몬드 물질에 제공하도록 구성된 무선 주파수(RF) 여기 소스; 광학 여기를 상기 NV 다이아몬드 물질에 제공하도록 구성된 광학 여기 소스; 상기 NV 다이아몬드 물질에 의해 방출된 광학 신호를 수신하도록 구성된 광학 검출기; 상기 NV 다이아몬드 물질에 인가된 자기장을 생성하도록 구성된 자기장 생성기; 및 제어기를 포함할 수 있다. 상기 제어기는, 2 개의 광학 여기 펄스 및 2 개의 RF 여기 펄스를 포함하는 제 1 펄스 시퀀스를 상기 NV 다이아몬드 물질에 인가하도록 상기 광학 여기 소스 및 상기 RF 여기 소스를 제어하고; 상기 제 1 펄스 시퀀스로 인해 상기 NV 다이아몬드 물질에 의해 방출된 광학 신호에 기초하여 상기 광학 검출기로부터 제 1 광 검출 신호를 수신하고; 상기 제 1 광 검출 신호에 기초하여 제 1 측정치를 계산하고; 2 개의 광학 여기 펄스 및 2 개의 RF 여기 펄스를 포함하는 제 2 펄스 시퀀스를 상기 NV 다이아몬드 물질에 인가하도록 상기 광학 여기 소스 및 상기 RF 여기 소스를 제어하고; 상기 제 2 펄스 시퀀스로 인해 상기 NV 다이아몬드 물질에 의해 방출된 광학 신호에 기초하여 상기 광학 검출기로부터 제 2 광 검출 신호를 수신하고; 상기 제 2 광 검출 신호에 기초하여 제 2 측정치를 계산하도록 구성될 수 있다. 상기 제 1 측정치는 상기 NV 다이아몬드 물질의 고(high) 공진 주파수에 기초할 수 있고, 상기 제 2 측정치는 상기 NV 다이아몬드 물질의 저(low) 공진 주파수에 기초할 수 있다.
일 측면에 따르면, 상기 고 공진 주파수 및 상기 저 공진 주파수는 상기 NV 다이아몬드 물질의 NV 중심의 축과 관련된 공진 주파수일 수 있다.
일 측면에 따르면, 상기 제 1 펄스 시퀀스의 상기 2 개의 RF 여기 펄스는 상기 NV 다이아몬드 물질의 상기 고 공진 주파수로부터 이조된(detuned) 주파수에서 인가될 수 있다.
일 측면에 따르면, 상기 제 2 펄스 시퀀스의 상기 2 개의 RF 여기 펄스는 상기 NV 다이아몬드 물질의 상기 저 공진 주파수로부터 이조된(detuned) 주파수에서인가될 수 있다.
일 측면에 따르면, 제어기는 상기 제 1 및 제 2 측정치들에 기초하여 상기 NV 다이아몬드 물질에 작용하는 외부 자기장의 변화를 계산하도록 추가로 구성될 수 있다.
다른 실시형태들에 따르면, 자기 검출을 위한 시스템은, 복수의 NV 중심들을 포함하는 질소 공석(NV) 다이아몬드 물질; RF 여기를 상기 NV 다이아몬드 물질에 제공하도록 구성된 무선 주파수(RF) 여기 소스; 광학 여기를 상기 NV 다이아몬드 물질에 제공하도록 구성된 광학 여기 소스; 상기 NV 다이아몬드 물질에 의해 방출된 광학 신호를 수신하도록 구성된 광학 검출기; 상기 NV 다이아몬드 물질에 인가된 자기장을 생성하도록 구성된 자기장 생성기; 및 제어기를 포함할 수 있다. 상기 제어기는, 복수의 펄스 시퀀스를 상기 NV 다이아몬드 물질에 인가하도록 상기 광학 여기 소스 및 상기 RF 여기 소스를 제어하고, 상기 복수의 펄스 시퀀스의 각각은 2 개의 광학 여기 펄스와 RF 여기 펄스를 포함하고, 상기 RF 여기 펄스의 인가의 시간 기간은 상기 복수의 펄스 시퀀스의 각각 사이에서 가변되며; 상기 복수의 펄스 시퀀스로 인해 상기 NV 다이아몬드 물질에 의해 방출된 광학 신호에 기초하여 상기 광학 검출기로부터 복수의 광 검출 신호를 수신하고; 상기 복수의 펄스 시퀀스의 각각의 RF 여기 펄스와 관련된 기간 이전의 제 1 기준 기간에서 상기 복수의 광 검출 신호의 각각의 제 1 값을 측정하고; 상기 복수의 펄스 시퀀스의 각각의 RF 여기 펄스와 관련된 상기 기간 이후의 제 2 기준 기간에서 상기 복수의 광 검출 신호의 각각의 제 2 값을 측정하고; 상기 복수의 측정된 제 1 및 제 2 값들에 기초하여 복수의 측정 신호를 계산하고; 상기 복수의 측정 신호들의 주파수를 산출하도록 구성될 수 있다.
일 측면에 따르면, 상기 주파수는 공진 라비(Rabi) 주파수일 수 있다.
일 측면에 따르면, 상기 RF 여기 소스는 마이크로파 안테나일 수 있다.
일 측면에 따르면, 상기 마이크로파 안테나는 소형 루프 안테나일 수 있다.
일 측면에 따르면, 상기 소형 루프 안테나는 직경이 약 2 mm인 루프를 포함할 수 있다.
일 측면에 따르면, 상기 마이크로파 안테나는 적어도 10 와트의 마이크로파 전력을 제공하도록 구성될 수 있다.
일 측면에 따르면, 제어기는 상기 복수의 펄스 시퀀스의 각각 동안에 상기 2 개의 광학 여기 펄스들 중 하나, 뒤이어, 상기 RF 여기 펄스 및 상기 2 개의 광학 여기 펄스들 중 다른 하나를 인가하도록 구성될 수 있다.
일 측면에 따르면, 제어기는 상기 복수의 펄스 시퀀스의 각각 동안에 상기 2 개의 광학 여기 펄스들 중 상기 하나와 상기 RF 여기 펄스 사이에 윈도우를 인가하도록 구성될 수 있으며, 상기 윈도우는 상기 NV 다이아몬드 물질에 인가되는 여기 또는 광학 여기가 없는 기간이다.
일 측면에 따르면, 제어기는 상기 복수의 측정 신호들 중의 제 1 최소값을 식별하도록 추가로 구성될 수 있다.
다른 실시형태들에 따르면, 자기 검출을 위한 시스템은, 복수의 NV 중심들을 포함하는 질소 공석(NV) 다이아몬드 물질; RF 여기를 상기 NV 다이아몬드 물질에 제공하도록 구성된 무선 주파수(RF) 여기 소스; 광학 여기를 상기 NV 다이아몬드 물질에 제공하도록 구성된 광학 여기 소스; 상기 NV 다이아몬드 물질에 의해 방출된 광학 신호를 수신하도록 구성된 광학 검출기; 상기 NV 다이아몬드 물질에 인가된 자기장을 생성하도록 구성된 자기장 생성기; 및 제어기를 포함할 수 있다. 상기 제어기는, 복수의 펄스 시퀀스를 상기 NV 다이아몬드 물질에 인가하도록 상기 광학 여기 소스 및 상기 RF 여기 소스를 제어하고, 상기 복수의 펄스 시퀀스의 각각은 2 개의 광학 여기 펄스와 2 개의 RF 여기 펄스를 포함하고, 상기 2 개의 RF 여기 펄스의 인가 사이의 시간 기간은 상기 복수의 펄스 시퀀스의 각각 사이에서 가변되며; 상기 복수의 펄스 시퀀스로 인해 상기 NV 다이아몬드 물질에 의해 방출된 광학 신호에 기초하여 상기 광학 검출기로부터 복수의 광 검출 신호를 수신하고; 상기 복수의 펄스 시퀀스의 각각의 상기 RF 여기 펄스와 관련된 기간 이전의 제 1 기준 기간에서 상기 복수의 광 검출 신호의 각각의 제 1 값을 측정하고; 상기 복수의 펄스 시퀀스의 각각의 상기 RF 여기 펄스와 관련된 상기 기간 이후의 제 2 기준 기간에서 상기 복수의 광 검출 신호의 각각의 제 2 값을 측정하고; 상기 복수의 측정된 제 1 및 제 2 값들에 기초하여 복수의 측정 신호를 계산하고; 상기 복수의 측정 신호들의 감쇠 시간(decay time)을 산출하도록 구성될 수 있다.
일 측면에 따르면, 상기 복수의 펄스 시퀀스의 각각의 상기 2 개의 RF 여기 펄스들은 약 10 MHz의 주파수에서 인가될 수 있다.
다른 실시형태들에 따르면, 복수의 NV 중심들을 포함하는 질소 공석(NV) 다이아몬드 물질을 갖는 자기 검출을 위한 시스템은, NV 다이아몬드 물질에 RF 여기를 제공하기 위한 수단; NV 다이아몬드 물질에 광학 여기를 제공하기 위한 수단; 상기 NV 다이아몬드 물질에 의해 방출된 광학 신호를 수신하기 위한 수단; 상기 NV 다이아몬드 물질에 인가된 자기장을 발생시키기 위한 수단; 2 개의 광학 여기 펄스 및 2 개의 RF 여기 펄스를 포함하는 펄스 시퀀스를 상기 NV 다이아몬드 물질에 인가하기 위한 수단; 상기 펄스 시퀀스로 인해 상기 NV 다이아몬드 물질에 의해 방출된 광학 신호에 기초하여 광 검출 신호를 수신하기 위한 수단; 상기 NV 다이아몬드 물질에 제공된 상기 2 개의 RF 여기 펄스와 관련된 상기 광 검출 신호의 기간 이전의 제 1 기준 기간에서 상기 광 검출 신호의 제 1 값을 측정하기 위한 수단; 상기 NV 다이아몬드 물질에 제공된 상기 2 개의 RF 여기 펄스와 관련된 상기 광 검출 신호의 상기 기간 이후의 제 2 기준 기간에서 상기 광 검출 신호의 제 2 값을 측정하기 위한 수단; 및 상기 측정된 제 1 및 제 2 값들에 기초하여 측정 신호를 계산하기 위한 수단을 포함할 수 있다.
다른 실시형태들에 따르면, 복수의 NV 중심들을 포함하는 질소 공석(NV) 다이아몬드 물질 상에 작용하는 자기장을 검출하기 위한 방법은, 2 개의 광학 여기 펄스 및 2 개의 RF 여기 펄스를 포함하는 펄스 시퀀스를 상기 NV 다이아몬드 물질에 인가하도록 광학 여기 소스 및 RF 여기 소스를 제어하는 단계; 상기 펄스 시퀀스로 인해 상기 NV 다이아몬드 물질에 의해 방출된 광학 신호에 기초하여 상기 광학 검출기로부터 광 검출 신호를 수신하는 단계; 상기 NV 다이아몬드 물질에 제공된 상기 2 개의 RF 여기 펄스와 관련된 상기 광 검출 신호의 기간 이전의 제 1 기준 기간에서 상기 광 검출 신호의 제 1 값을 측정하는 단계; 상기 NV 다이아몬드 물질에 제공된 상기 펄스 시퀀스의 상기 2 개의 RF 여기 펄스와 관련된 상기 광 검출 신호의 상기 기간 이후의 제 2 기준 기간에서 상기 광 검출 신호의 제 2 값을 측정하는 단계; 상기 측정된 제 1 및 제 2 값들에 기초하여 측정 신호를 계산하는 단계를 포함할 수 있다.
일 측면에 따르면, 방법은 상기 제 1 값 및 상기 제 2 값의 평균에 기초하여 상기 측정 신호를 계산하는 단계를 더 포함할 수 있다.
일 측면에 따르면, 방법은 상기 제 1 기준 기간 이후 및 상기 제 2 기준 기간 이전의 신호 기간에서 상기 광 검출 신호의 제 3 값을 측정하는 단계를 더 포함할 수 있다.
일 측면에 따르면, 방법은 상기 제 1 및 제 2 값의 평균과 상기 제 3 값 사이의 차이에 기초하여 상기 측정 신호를 계산하는 단계를 더 포함할 수 있다.
다른 실시형태들에 따르면, 자기 검출을 위한 시스템은, 복수의 자기-결함 중심을 포함하는 자기-결함 중심 물질; 상기 자기-결함 중심 물질에 RF 여기를 제공하도록 구성된 무선 주파수(RF) 여기 소스; 상기 자기-결함 중심 물질에 광학 여기를 제공하도록 구성된 광학 여기 소스; 상기 자기-결함 중심 물질에 의해 방출된 광학 신호를 수신하도록 구성된 광학 검출기; 상기 자기-결함 중심 물질에 인가되는 자기장을 생성시키도록 구성된 자기장 생성기; 및 제어기를 포함할 수 있다. 상기 제어기는, 2 개의 광학 여기 펄스 및 2 개의 RF 여기 펄스를 포함하는 펄스 시퀀스를 상기 자기-결함 중심 물질에 인가하도록 상기 광학 여기 소스 및 상기 RF 여기 소스를 제어하고; 상기 펄스 시퀀스로 인해 상기 자기-결함 중심 물질에 의해 방출된 광학 신호에 기초하여 상기 광학 검출기로부터 광 검출 신호를 수신하고; 상기 자기-결함 중심 물질에 제공된 상기 2 개의 RF 여기 펄스와 관련된 상기 광 검출 신호의 기간 이전의 제 1 기준 기간에서 상기 광 검출 신호의 제 1 값을 측정하고; 상기 자기-결함 중심 물질에 제공된 상기 2 개의 RF 여기 펄스와 관련된 상기 광 검출 신호의 상기 기간 이후의 제 2 기준 기간에서 상기 광 검출 신호의 제 2 값을 측정하고; 상기 측정된 제 1 및 제 2 값들에 기초하여 측정 신호를 계산하도록 구성될 수 있다.
다른 실시형태들에 따르면, 복수의 NV 중심들을 포함하는 질소 공석(NV) 다이아몬드 물질을 갖는 자기 검출을 위한 시스템은, NV 다이아몬드 물질에 RF 여기를 제공하기 위한 수단; NV 다이아몬드 물질에 광학 여기를 제공하기 위한 수단; 상기 NV 다이아몬드 물질에 의해 방출된 광학 신호를 수신하기 위한 수단; 상기 NV 다이아몬드 물질에 인가된 자기장을 발생시키기 위한 수단; 2 개의 광학 여기 펄스 및 2 개의 RF 여기 펄스를 포함하는 제 1 펄스 시퀀스를 상기 NV 다이아몬드 물질에 인가하기 위한 수단; 상기 제 1 펄스 시퀀스로 인해 상기 NV 다이아몬드 물질에 의해 방출된 광학 신호에 기초하여 제 1 광 검출 신호를 수신하기 위한 수단; 상기 제 1 광 검출 신호에 기초하여 제 1 측정치를 계산하기 위한 수단; 2 개의 광학 여기 펄스 및 2 개의 RF 여기 펄스를 포함하는 제 2 펄스 시퀀스를 상기 NV 다이아몬드 물질에 인가하기 위한 수단; 상기 제 2 펄스 시퀀스로 인해 상기 NV 다이아몬드 물질에 의해 방출된 광학 신호에 기초하여 제 2 광 검출 신호를 수신하기 위한 수단; 및 상기 제 2 광 검출 신호에 기초하여 제 2 측정치를 계산하기 위한 수단;을 포함할 수 있다. 상기 제 1 측정치는 상기 NV 다이아몬드 물질의 고(high) 공진 주파수에 기초할 수 있고, 상기 제 2 측정치는 상기 NV 다이아몬드 물질의 저(low) 공진 주파수에 기초할 수 있다.
다른 실시형태들에 따르면, 복수의 NV 중심들을 포함하는 질소 공석(NV) 다이아몬드 물질 상에 작용하는 자기장을 검출하기 위한 방법은, 2 개의 광학 여기 펄스 및 2 개의 RF 여기 펄스를 포함하는 제 1 펄스 시퀀스를 상기 NV 다이아몬드 물질에 인가하도록 광학 여기 소스 및 RF 여기 소스를 제어하는 단계; 상기 제 1 펄스 시퀀스로 인해 상기 NV 다이아몬드 물질에 의해 방출된 광학 신호에 기초하여 상기 광학 검출기로부터 제 1 광 검출 신호를 수신하는 단계; 상기 제 1 검출 신호에 기초하여 제 1 측정치를 계산하는 단계; 2 개의 광학 여기 펄스 및 2 개의 RF 여기 펄스를 포함하는 제 2 펄스 시퀀스를 상기 NV 다이아몬드 물질에 인가하도록 상기 광학 여기 소스 및 상기 RF 여기 소스를 제어하는 단계; 상기 제 2 펄스 시퀀스로 인해 상기 NV 다이아몬드 물질에 의해 방출된 광학 신호에 기초하여 상기 광학 검출기로부터 제 2 광 검출 신호를 수신하는 단계; 및 상기 제 2 검출 신호에 기초하여 제 2 측정치를 계산하는 단계;를 포함할 수 있다. 상기 제 1 측정치는 상기 NV 다이아몬드 물질의 고(high) 공진 주파수에 기초할 수 있고, 상기 제 2 측정치는 상기 NV 다이아몬드 물질의 저(low) 공진 주파수에 기초할 수 있다.
일 측면에 따르면, 상기 고 공진 주파수 및 상기 저 공진 주파수는 상기 NV 다이아몬드 물질의 NV 중심의 축과 관련된 공진 주파수일 수 있다.
일 측면에 따르면, 방법은 상기 제 1 및 제 2 측정치들에 기초하여 상기 NV 다이아몬드 물질에 작용하는 외부 자기장의 변화를 계산하는 단계를 더 포함할 수 있다.
다른 실시형태들에 따르면, 자기 검출을 위한 시스템은, 복수의 자기-결함 중심을 포함하는 자기-결함 중심 물질; RF 여기를 상기 자기-결함 중심 물질에 제공하도록 구성된 무선 주파수(RF) 여기 소스; 광학 여기를 상기 자기-결함 중심 물질에 제공하도록 구성된 광학 여기 소스; 상기 자기-결함 중심 물질에 의해 방출된 광학 신호를 수신하도록 구성된 광학 검출기; 상기 자기-결함 중심 물질에 인가된 자기장을 생성하도록 구성된 자기장 생성기; 및 제어기를 포함할 수 있다. 상기 제어기는 2 개의 광학 여기 펄스 및 2 개의 RF 여기 펄스를 포함하는 제 1 펄스 시퀀스를 상기 자기-결함 중심 물질에 인가하도록 상기 광학 여기 소스 및 상기 RF 여기 소스를 제어하고; 상기 제 1 펄스 시퀀스로 인해 상기 자기-결함 중심 물질에 의해 방출된 광학 신호에 기초하여 상기 광학 검출기로부터 제 1 광 검출 신호를 수신하고; 상기 제 1 광 검출 신호에 기초하여 제 1 측정치를 계산하고; 2 개의 광학 여기 펄스 및 2 개의 RF 여기 펄스를 포함하는 제 2 펄스 시퀀스를 상기 자기-결함 중심 물질에 인가하도록 상기 광학 여기 소스 및 상기 RF 여기 소스를 제어하고; 상기 제 2 펄스 시퀀스로 인해 상기 자기-결함 중심 물질에 의해 방출된 광학 신호에 기초하여 상기 광학 검출기로부터 제 2 광 검출 신호를 수신하고; 상기 제 2 광 검출 신호에 기초하여 제 2 측정치를 계산하도록 구성될 수 있다. 상기 제 1 측정치는 상기 자기-결함 중심 물질의 고(high) 공진 주파수에 기초할 수 있고, 상기 제 2 측정치는 상기 자기-결함 중심 물질의 저(low) 공진 주파수에 기초할 수 있다.
도 1은 다이아몬드 격자에서의 NV 중심의 일 배향을 도시한다.
도 2는 NV 중심을 위한 스핀 상태의 에너지 레벨을 도시하는 에너지 레벨도이다.
도 3은 종래의 NV 중심 자기 센서 시스템을 도시하는 개략도이다.
도 4는 제로 자기장에 대한 소정의 방향을 따른 NV 중심의 인가된 RF 주파수의 함수로서 형광을 도시하는 그래프이다.
도 5는 비-제로 자기장에 대한 4개의 다른 NV 중심 배향을 위한 인가된 RF 주파수의 함수로서 형광을 도시하는 그래프이다.
도 6은 일 실시형태에 따른 자기장 검출 시스템을 도시하는 개략도이다.
도 7은 도 6의 상기 시스템의 동작에 따른 광 여기 펄스 및 RF 여기 펄스의 램지 시퀀스(Ramsey sequence)를 도시하는 개략도이다.
도 8a는 도 7의 상기 램지 시퀀스를 이용하여 자유 세차 시간(τ)이 가변하는 자유 유도 붕괴(free induction decay) 곡선이다.
도 8b는 도 7의 상기 램지 시퀀스를 이용하여 RF 이조 주파수(Δ)가 가변하는 자기측정 곡선이다.
도 9a는 도 7의 상기 램지 시퀀스를 이용하여 자유 세차 시간(τ)과 RF 이조 주파수(Δ) 모두가 가변하는 자유 유도 붕괴 표면 플롯이다.
도 9b는 도 9a의 상기 자유 유도 붕괴 표면 플롯의 변화도(gradient)를 도시하는 플롯이다.
도 10은 도 6의 상기 시스템의 동작에 따른 광 여기 펄스 및 RF 여기 펄스의 라비 시퀀스(Rabi sequence)를 도시하는 개략도이다.
도 11은 도 6의 상기 시스템에 인가된 RF 여기의 전력(power)에 따른 공진 라비 주파수를 도시하는 그래프들의 비교이다.
도 12는 도 6의 상기 시스템의 동작 동안에 집합되는 원시 펄스 데이터(raw pulse data)를 도시하는 그래프이다.
도 2는 NV 중심을 위한 스핀 상태의 에너지 레벨을 도시하는 에너지 레벨도이다.
도 3은 종래의 NV 중심 자기 센서 시스템을 도시하는 개략도이다.
도 4는 제로 자기장에 대한 소정의 방향을 따른 NV 중심의 인가된 RF 주파수의 함수로서 형광을 도시하는 그래프이다.
도 5는 비-제로 자기장에 대한 4개의 다른 NV 중심 배향을 위한 인가된 RF 주파수의 함수로서 형광을 도시하는 그래프이다.
도 6은 일 실시형태에 따른 자기장 검출 시스템을 도시하는 개략도이다.
도 7은 도 6의 상기 시스템의 동작에 따른 광 여기 펄스 및 RF 여기 펄스의 램지 시퀀스(Ramsey sequence)를 도시하는 개략도이다.
도 8a는 도 7의 상기 램지 시퀀스를 이용하여 자유 세차 시간(τ)이 가변하는 자유 유도 붕괴(free induction decay) 곡선이다.
도 8b는 도 7의 상기 램지 시퀀스를 이용하여 RF 이조 주파수(Δ)가 가변하는 자기측정 곡선이다.
도 9a는 도 7의 상기 램지 시퀀스를 이용하여 자유 세차 시간(τ)과 RF 이조 주파수(Δ) 모두가 가변하는 자유 유도 붕괴 표면 플롯이다.
도 9b는 도 9a의 상기 자유 유도 붕괴 표면 플롯의 변화도(gradient)를 도시하는 플롯이다.
도 10은 도 6의 상기 시스템의 동작에 따른 광 여기 펄스 및 RF 여기 펄스의 라비 시퀀스(Rabi sequence)를 도시하는 개략도이다.
도 11은 도 6의 상기 시스템에 인가된 RF 여기의 전력(power)에 따른 공진 라비 주파수를 도시하는 그래프들의 비교이다.
도 12는 도 6의 상기 시스템의 동작 동안에 집합되는 원시 펄스 데이터(raw pulse data)를 도시하는 그래프이다.
본 발명은 상기 검출 시스템의 자기 감도를 현저히 증가시키기 위해 최적화된 시뮬레이션 공정을 이용하여 자기 검출 시스템에서 NV 다이아몬드를 시뮬레이션하기 위한 장치 및 방법에 관한 것이다. 상기 시스템은 상기 시스템상에서 작용하는 자기장을 검출 및 측정하도록 램지 펄스 시퀀스를 활용한다. 상기 램지 펄스 시퀀스에 관련한 파라미터들은 자기장의 측정 이전에 최적화된다. 이러한 파라미터들은 공진 라비 주파수, 자유 세차 시간(tau), 및 이조 주파수를 포함하며, 이들의 모두는 측정 감도의 향상을 돕는다. 이러한 파라미터들은 라비 펄스 시퀀스 또는 추가적인 램지 시퀀스와 같은, 다른 광학 검출 기술을 활용한 측정 시험(calibration tests)을 이용하여 최적 결정될 수 있다. 또한, 파라미터들, 특히, 공진 라비 주파수는 소형 루프 안테나의 사용을 통해 달성될 수 있는 RF 여기원의 전력 증가에 의해 추가로 최적화될 수 있다. 자기장의 측정 동안에, 램지 시퀀스 중에 인가된 상기 RF 여기 펄스는 서로 다른 스핀 상태와 관련한 개별 공진 주파수에서 발생하도록 설정될 수 있다(예를 들어, ms = +1 or ms = -1). 개별 공진 위치를 활용함으로써, 시스템의 온도 및/또는 변형 영향으로 인한 변화와 외부 자기장으로 인한 변화가 분리되어 측정의 정확도를 향상시킬 수 있다. 마지막으로, 측정 중에 얻은 데이터의 처리는 신호를 얻기 위해 평균을 사용하는 적어도 두 개의 기준 창을 사용하여 더욱 최적화된다. 이상은 자기장의 검출 감도를 향상시킬 수 있는 자기 검출 시스템을 제공한다. 일부 실시형태에서, 상기 최적화된 측정 공정은 약 9 nT/√Hz 이하의 자기 검출 시스템의 감도를 초래할 수 있다.
NV 중심, 그의 전자 구조, 및 광학 및 RF 상호 작용
다이아몬드에서의 NV 중심은 도 1에 도시된 바와 같이 탄소 공석에 인접한 격자 사이트에서 치환 질소 원자를 포함한다. NV 중심은 4개의 배향을 가질 수 있고, 각 배향은 다이아몬드 격자의 상이한 결정학적 배향에 대응한다.
NV 중심은 중성 전하 상태 또는 음의 전하 상태에 존재할 수 있다. 종래에, 중성 전하 상태는 명명법(NV0)을 이용하는 반면, 음의 전하 상태는 명명법(NV)을 이용하고, 이것은 본 설명에서 채택된다.
NV 중심은 다수의 전자를 갖는데, 다수의 전자는 각 하나가 공석으로부터 공석에 인접한 3개의 각 탄소 원자로 가는 3개의 홀 전자와, 질소와 공석 사이의 한 쌍의 전자를 포함한다. 음으로 대전된 상태에 있는 NV 중심은 또한 여분의 전자를 포함한다.
NV 중심은 회전 대칭을 갖고, 도 2에 도시된 바와 같이, 하나의 스핀 상태(ms=0)와의 3A2 대칭을 갖는 스핀 트리플릿(triplet)인 기저 상태와, 2개의 추가 스핀 상태(ms=+1, 및 ms=-1)를 갖는다. 외부 자기장의 부재시, ms=+1 에너지 레벨은 스핀-스핀 상호 작용으로 인해 ms=0으로부터 오프셋(offset)되고, ms=+1 에너지 레벨은 퇴보하는데, 즉 이들은 동일한 에너지를 갖는다. ms=0 스핀 상태 에너지 레벨은 제로 외부 자기장에 대해 2.87 GHz의 에너지만큼 ms=+1 에너지 레벨로부터 분할된다.
NV 축을 따르는 성분을 갖는 외부 자기장을 도입하는 것은 ms=+1 에너지 레벨의 축퇴를 들어올려, 에너지 레벨(ms=+1)을 양(2gμBBz)만큼 분할하고, 여기서 g는 g-인자이고, μB는 보어 자자(Bohr magneton)이고, Bz는 NV 축을 따르는 외부 자기장의 성분이다. 이러한 관계는 1차수로 정정되고, 더 높은 차수의 정정의 포함은 간단한 문제이고, 아래에 기재된 시스템 및 방법에서 계산 및 논리 단계에 영향을 미치지 않을 것이다.
NV 중심 전자 구조는 대응하는 ms=0 및 ms=+1 스핀 상태를 갖는 여기된 트리플릿 상태(3E)를 더 포함한다. 기저 상태(3A2)와 여기된 트리플릿(3E) 사이의 광학 전이는 주로 스핀 보존이고, 이것은 광학 전이가 동일한 스핀을 갖는 초기 및 최종 상태 사이에 있다는 것을 의미한다. 여기된 트리플릿(3E)과 기저 상태(3A2) 사이의 직접 전이에 대해, 적색 광의 광자는 전이의 에너지 레벨 사이의 에너지 차이에 대응하는 광자 에너지로 방출된다.
하지만, 중간 에너지 레벨을 갖는 중간 일중선(singlet) 상태(A, E)인 것으로 생각되는 중간 전자 상태를 통해 트리플릿(3E)으로부터 기저 상태(3A2)로의 대안적인 비-복사 붕괴 루트가 있다. 중요하게도, 여기된 트리플릿(3E)의 ms=+1 스핀 상태로부터 중간 에너지 레벨로의 전이 상태는 여기된 트리플릿(3E)의 ms=0 스핀 상태로부터 중간 에너지 레벨로의 전이 상태보다 상당히 더 크다. 일중선 상태(A, E)로부터 기저 상태 트리플릿(3A2)으로의 전이는 ms=+1 스핀 상태에 걸쳐 ms=0 스핀 상태로 주로 붕괴한다. 중간 일중선 상태(A, E)를 통해 여기된 트리플릿(3E)으로부터 기저 상태 트리플릿(3A2)으로의 붕괴의 이들 특징들은, 광학 여기가 시스템에 제공되는 경우 광학 여기가 결국 NV 중심을 기저 상태(3A2)의 ms=0 스핀 상태로 펌핑할 것을 허용한다. 이러한 방식으로, 기저 상태(3A2)의 ms=0 스핀 상태의 집합은 트리플릿(3E)으로부터 중간 일중선 상태로의 붕괴율에 의해 결정된 최대 극화로 "재설정"될 수 있다.
붕괴의 다른 특징은, 여기된 트리플릿(3E) 상태를 광학적으로 자극하는 것으로 인한 형광 세기가 ms=0 스핀 상태보다 ms=+1 상태에 대해 더 작다는 것이다. 이것은 중간 상태를 통한 붕괴가 형광 대역에서 방출된 광자에서 초래되지 않기 때문에 그러하고, 그리고 여기된 트리플릿(3E) 상태의 ms=+1 상태가 비-방사 붕괴 경로를 통해 붕괴할 더 큰 확률로 인해 그러하다. ms=0 스핀 상태보다 ms=+1 상태에 대해 더 낮은 형광 세기는, 형광 세기가 스핀 상태를 결정하는데 사용되도록 한다. ms=+1 상태의 집단이 ms=0 스핀에 대해 증가할 때, 전체 형광 세기는 감소될 것이다.
NV 중심, 또는 자기-광학 결점 중심, 자기 센서 시스템
도 3은 ms=+1 상태를 구별하고, ms=+1 상태와 ms=-1 상태 사이의 에너지 차이에 기초하여 자기장을 측정하기 위해 형광 세기를 이용하는 종래의 NV 중심 자기 센서 시스템(300)을 예시하는 개략도이다. 시스템(300)은 광학 여기 소스(310)를 포함하고, 이것은 광학 여기를, NV 중심을 갖는 NV 다이아몬드 물질(320)에 향하게 한다. 시스템은 RF 여기 소스(330)를 더 포함하고, 이것은 RF 복사선을 NV 다이아몬드 물질(320)에 제공한다. NV 다이아몬드로부터의 광은 광학 필터(350)를 통해 광학 검출기(340)에 향하게 될 수 있다.
RF 여기 소스(330)는 예를 들어 마이크로파 코일일 수 있다. RF 여기 소스(330)는 기저 ms=0 스핀 상태와 ms=+1 스핀 상태 사이의 전이 에너지를 갖는 광자 에너지 공진을 통해 RF 복사선을 방출할 때 이들 스핀 상태들 사이의 전이를 여기한다. 그러한 공진에 대해, 스핀 상태는 기저 ms=0 스핀 상태와 ms=+1 스핀 상태 사이에서 순환하여, ms=0 스핀 상태에서의 집단을 감소시키고, 공진에서 전체 형광을 감소시킨다. 유사하게, 공진은 기저 상태의 ms=0 스핀 상태와 ms=-1 스핀 상태 사이에서 발생하고, RF 여기 소스에 의해 방출된 RF 복사선의 광자 에너지가 ms=0 스핀 상태와 ms=-1 스핀 상태, 또는 ms=0 스핀 상태와 ms=+1 스핀 상태 사이의 에너지에서의 차이일 때, 형광 세기에서의 감소가 존재한다.
광학 여기 소스(310)는 예를 들어 녹색에서의 광을 방출하는 예를 들어, 레이저 또는 발광 다이오드일 수 있다. 광학 여기 소스(310)는 적색에서의 형광을 유도하고, 이것은 여기된 상태로부터 기저 상태로의 전자 전이에 대응한다. NV 다이아몬드 물질(320)로부터의 광은 여기 대역(예를 들어, 녹색에서)에서의 광을 필터링하고, 적색 형광 대역에서 광을 통과시키기 위해 광학 필터(350)를 통해 향하게 되고, 이것은 다시 검출기(340)에 의해 검출된다. 다이아몬드 물질(320)에서의 형광을 여기하는 것 외에도, 광학 여기 광 소스(310)는 또한 기저 상태(3A2)의 ms=0 스핀 상태의 집단을 최대 극화, 또는 다른 원하는 극화로 재설정하도록 작용한다.
연속파 여기에 대해, 광학 여기 소스(310)는 NV 중심을 연속적으로 펌핑하고, RF 여기 소스(330)는 2.87 GHz의 제로 분할(ms=+1 스핀 상태가 동일한 에너지를 가질 때) 에너지를 포함하는 주파수 범위에 걸쳐 스윕(sweep)한다. 단일 방향을 따라 정렬된 NV 중심을 갖는 다이아몬드 물질(320)에 대응하는 RF 스윕에 대한 형광은 NV 축을 따라 상이한 자기장 성분(Bz)에 대해 도 4에서 도시되고, 여기서 ms=-1 스핀 상태와 ms=+1 스핀 상태 사이의 에너지 분할은 Bz와 함께 증가한다. 따라서, 성분(Bz)이 결정될 수 있다. 펄싱된 광 여기 및 펄싱된 RF 여기를 수반하는 여기 구성과 같이 연속파 여기 이외의 광학 여기 구성이 구상된다. 펄싱된 여기 구성의 예들은 램지 펄스 시퀀스(하기에 더욱 상세히 기술된), 및 스핀 에코 펄스 시퀀스를 포함한다.
일반적으로, 다이아몬드 물질(320)은 4가지 상이한 배향 분류의 방향을 따라 NV 중심을 가질 것이다. 도 5는, 다이아몬드 물질(320)이 4가지 상이한 배향 분류의 방향을 따라 정렬된 NV 중심을 갖는 경우에 대해 RF 주파수의 함수로서 형광을 도시한다. 이 경우에, 상이한 배향 각각을 따르는 성분(Bz)이 결정될 수 있다. 이들 결과는 다이아몬드 격자의 결정학적 평면의 알려진 배향과 함께 외부 자기장의 크기가 결정되도록 할 뿐 아니라, 자기장의 방향이 결정되도록 한다.
도 3이 복수의 NV 중심을 갖는 NV 다이아몬드 물질(320)을 갖는 NV 중심 자기 센서 시스템(300)을 도시하지만, 일반적으로, 자기 센서 시스템은 그 대신 복수의 자기-광학 결함 중심을 갖는 상이한 자기-광학 결함 중심 물질을 이용할 수 있다. 자기-광학 결함 중심의 전자 스핀 상태 에너지는 자기장과 함께 시프트(shift)하고, 상이한 스핀 상태에 대해 형광과 같은 광학 반응은 모든 상이한 스핀 상태에 대해 동일하지 않다. 이러한 방식으로, 자기장은 광학 여기, 및 아마도 NV 다이아몬드 물질과 함께 위에 기재된 것에 대응하는 방식으로 RF 여기에 기초하여 결정될 수 있다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 자기장 검출 시스템에 대한 시스템(600)의 개략도이다. 시스템(600)은 광학 여기 소스(610)를 포함하고, 이것은 광학 여기를 NV 중심을 갖는 NV 다이아몬드 물질(620)에 향하게 하거나, 자기-광학 결함 중심을 갖는 다른 자기-광학 결함 중심 물질로 향하게 한다. RF 여기 소스(630)는 RF 복사선을 NV 다이아몬드 물질(620)에 제공한다. 자기장 발생기(670)는 NV 다이아몬드 물질(620)에서 검출되는 자기장을 생성한다.
자기장 생성기(670)는 예를 들어 직교 편광을 갖는 자기장을 생성할 수 있다. 이러한 관점에서, 자기장 생성기(670)는 2개 이상의 헴홀쯔 코일과 같은 2개 이상의 코일을 포함할 수 있다. 2개 이상의 자기장 생성기는 NV 다이아몬드 물질(620)에서 비교적 균일한 자기장을 제공하는 미리 결정된 방향을 갖는 자기장을 제공하도록 구성될 수 있다. 미리 결정된 방향은 서로 직교일 수 있다. 또한, 자기장 발생기(670)의 2 이상의 자기장 발생기는 동일한 위치에 배치될 수도 있고, 서로 분리될 수 있다. 2 이상의 자기장 발생기가 서로 분리되어 있는 경우, 2 이상의 자기장 발생기는 예를 들어 1 차원 또는 2 차원 어레이와 같은 어레이로 배열 될 수 있다.
시스템(600)은 하나 이상의 광학 검출 시스템(605)을 포함하도록 배열될 수 있고, 여기서 광학 검출 시스템(605) 각각이 광 검출기(640), 광학 여기 소스(610) 및 NV 다이아몬드 물질(620)을 포함한다. 또한, 광학 시스템(605)은 광학 시스템(605)에 비해 상대적으로 낮은 전력을 요구하는 환경에 배치될 수 있다. 이러한 방식으로, 자기장 발생기(670)는 상대적으로 강한 자기장을 인가하도록 자기장 발생기(670)에 대해 이용 가능한 비교적 높은 전력을 갖는 환경에 전개될 수 있는 한편, 광학 시스템(605)을 위해 비교적 낮은 전력을 요구하는 환경에 전개될 수도 있다.
시스템(600)은 광학 검출기(640)로부터 광 검출 또는 광학 신호를 수신하고, 광학 여기 소스(610), RF 여기 소스(630), 및 제 2 자기장 생성기(675)를 제어하도록 배열된 제어기(680)를 더 포함한다. 제어기는 단일 제어기, 또는 다중 제어기일 수 있다. 다중 제어기를 포함하는 제어기에 대해, 제어기 각각은 시스템(600)의 상이한 성분들을 제어하는 것과 같이 상이한 기능을 수행할 수 있다. 제 2 자기장 생성기(675)는 예를 들어 증폭기(660)를 통해 제어기(680)에 의해 제어될 수 있다.
RF 여기 소스(630)는 예를 들어 마이크로파 코일일 수 있다. RF 여기 소스(630)는 도 3에 대해 위에 논의된 바와 같이 기저 ms=0 스핀 상태와 ms=+1 스핀 상태 사이의 전이 에너지를 갖는 광자 에너지 공진을 통해 RF 복사선을 방출하도록 제어된다.
광학 여기 소스(610)는 예를 들어 녹색에서의 광을 방출하는 예를 들어, 레이저 또는 발광 다이오드일 수 있다. 광학 여기 소스(610)는 NV 다이아몬드 물질(620)로부터 적색에서의 형광을 유도하고, 여기서 형광은 여기된 상태로부터 기저 상태로의 전자 여기에 대응한다. NV 다이아몬드 물질(620)로부터의 광은 여기 대역(예를 들어, 녹색에서)에서의 광을 필터링하고, 적색 형광 대역에서 광을 통과하도록 광학 필터(650)를 통해 향하게 되고, 이것은 다시 광학 검출기(640)에 의해 검출된다. 광학 여기 광원(610)은 NV 다이아몬드 물질(620)에서의 형광을 여기하는 것에 더하여, 또한 기저 상태(3A2)의 ms=0 스핀 상태의 집단을 최대 극화 또는 다른 원하는 극화로 재설정하도록 작용한다.
제어기(680)는 광학 검축기(640)로부터 광 검출 신호를 수신하고, 광학 여기 소스(610), RF 여기 소스(630) 및 제 2 자기장 생성기(675)를 제어하도록 배열된다. 제어기는 광학 여기 소스(610), RF 여기 소스(630), 및 제 2 자기장 생성기(675)의 동작을 제어하기 위해 프로세서(682) 및 메모리(684)를 포함할 수 있다. 비 임시 컴퓨터 판독 가능 매체를 포함할 수 있는 메모리(684)는, 광학 여기 소스(610), RF 여기 소스(630) 및 제 2 자기장 생성기(675)의 동작이 제어되도록 하기 위해 지령(instruction)을 저장할 수 있다. 즉, 제어기(680)는 제어를 제공하도록 프로그래밍될 수 있다.
램지 펄스 시퀀스 개요
특정 실시예에 따르면, 제어기(680)는 광 여기 소스(610), RF 여기 소스(630) 및 자기장 발생기(670)의 동작을 제어하여, 광학적으로 검출된 자기 공명(ODMR)을 수행한다. NV 중심의 4개의 상이한 배향 분류의 방향을 따라 정렬된 NV 중심의 NV 축을 따르는 자기장(Bz)의 성분은 예를 들어 램지 펄스 시퀀스에 따른 ODMR 펄스 시퀀스를 사용함으로써 ODMR에 의해 결정될 수 있다. 램지 펄스 시퀀스는 NV 다이아몬드 물질(620)의 자기 모멘트의 자유 세차를 측정하는 펄싱된 RF 펄스 레이저 방식이며, 양자가 기계적으로 전자 스핀 상태를 준비하고 샘플링하는 기술이다.
도 7은 램지 펄스 시퀀스를 나타내는 개략도이다. 도 7에 도시된 바와 같이, 램지 펄스 시퀀스는 5 단계의 기간에 걸쳐 광 여기 펄스 및 RF 여기 펄스를 포함한다. 제 1 단계에서, 기간 0 동안, 제 1 광학 여기 펄스(710)가 시스템에 인가되어 전자를 기저 상태(즉, ms = 0 스핀 상태)로 광학적으로 펌핑한다. 이것은 제 1 RF 여기 펄스(720)(예를 들어 마이크로파(MW) π/2 펄스의 형태로)에 의해 후속한다. 제 1 RF 여기 펄스(720)는 시스템을 ms = 0 및 ms = +1 스핀 상태의 중첩으로 설정한다(또는, 대안적으로, 공진 위치의 선택에 따라, ms= 0 및 ms= -1 스핀 상태). 기간 2 동안, 시스템은 타우(τ)로 지칭되는 시간주기 동안 자유롭게 처리(및 디페이즈)할 수 있다. 이러한 자유 세차 시간 동안, 시스템은 로컬 자기장을 측정하고 일관된 통합으로 작용한다. 다음으로, 기간 3 동안 제 2 RF 여기 펄스(740)(예를 들어 MW π/2 펄스의 형태로)가 적용되어, 시스템을 ms = 0 및 ms = +1 기준으로 다시 투사한다. 마지막으로, 기간 4 동안, 제 2 광학 펄스(730)가 시스템을 광학적으로 샘플링하기 위해 인가되고, 측정 기준은 시스템의 형광 세기를 검출함으로써 얻어진다. 시스템(600)에 인가되는 RF 여기 펄스는 주어진 NV 중심 배향에 대응하는 주어진 RF 주파수에서 제공된다. 도 12에 도시된 램지 펄스 시퀀스는 여러 번 수행될 수 있으며, 주어진 램지 펄스 시퀀스 동안 시스템에 인가되는 MW 펄스의 각각은 상이한 NV 중심 배향에 각각 대응하는 상이한 주파수를 포함한다.
램지 펄스 시퀀스로부터의 이론 측정 판독치는 아래의 수학식(1)으로서 정의될 수 있다:
(1) 
위의 수학식(1)에서 τ는 자유 자유 세차 시간(free precession time)을 나타내고, T2 *는 시스템(600)에 존재하는 비균질성으로 인한 스핀 디페이싱을 나타내며, ωres는 공진 라비 주파수를 나타내고, ωeff는 유효 라비 주파수를 나타내며, an은 극초단파 NV 다이아몬드 물질(620)(~ 2.14 MHz)을 나타내며, Δ는 MW 디튜닝을 나타내며, θ는 위상 오프셋을 나타낸다.
램지 펄스 시퀀스에 기초한 측정을 할 때, MW π/2 펄스의 지속 시간, MW 펄스의 주파수{공진 위치로부터 디튜닝된 주파수 량(Δ)으로 언급됨}, 및 자유 세차 시간(τ)인 파라미터가 제어될 수 있다. 또한, 도 8a 및도 8b는 램지 펄스 시퀀스의 특정 파라미터의 변화에 대한 효과를 나타낸다. 예를 들어, 도 8a에 도시된 바와 같이, 모든 파라미터가 자유 자유 세차 시간(τ)을 제외하고 일정하게 유지되면, 자유 유도 감쇠(FID)로서 알려진 간섭 패턴이 얻어진다. FID 곡선은 초미세 파편에 해당하는 세 개의 정현파의 건설/상쇄 간섭 때문이다. 신호의 붕괴는 불균일한 디페이징 때문에 발생하며, 이 붕괴의 속도는 T2 *(특성 감쇠 시간)로 나타난다. 또한, 도 8b에 도시된 바와 같이, 모든 파라미터가 마이크로파 디튜닝(Δ)을 제외하고 일정하게 유지된다면, 자계 곡선이 얻어진다. 이 경우 x 축은 자기 계측을 위해 보정하기 위해 1 nT = 28 Hz의 변환을 통해 자기장 단위로 변환될 수 있다.
τ 및 Δ 모두를 변화시킴으로써, 2차원 FID 표면 플롯이 구성될 수 있으며, 그 일례가 도 9a에 도시된다. FID 표면 플롯은 램지 시퀀스의 제어 가능한 파라미터의 최적화를 설명할 수 있는 몇 가지 특성을 포함한다. 예를 들어, 도 9a에서, FID 표면 플롯은 약 750 ns의 T2 * 및 약 6.25MHz의 공진 라비 주파수를 사용하여 생성된다. 도 9a의 수평 슬라이스는 개별 FID 곡선(예컨대, 도 8a)을 나타내고, 수직 슬라이스는 자계 곡선(예컨대, 도 8b)을 나타낸다. 도 9a에 도시된 바와 같이, 더 높은 기본 주파수의 FID 곡선은 더 큰 디튜닝에서 발생한다. 따라서 더 높은 이조 주파수는 다이아몬드 특징화를 위해 T2 *에 맞추기 위해 사용될 수 있다. 또한, 도 8b에 도시된 것과 같은 자력 측정 곡선은 특정 영역이 더 큰 감도를 생성함을 보여준다. 특히, 2차원 FID 표면 플롯의 경사도를 취함으로써, 보다 우수한 감도를 나타내는 분리된 최적 자유 프리 세션 간격이 식별될 수 있으며, 그 중 가장 우수한 것은 T2 *에 의해 결정될 것이다. 도 9b는 도 9a의 2차원 FID 표면 플롯의 경사도를 도시한다. 도 9b에서, 사용된 특정 T2 *(즉, 약 750 ns)에 대해, 약 900 ns(도 9b의 영역 2로 표시됨)에서 동작하는 것이 가장 큰 감도를 산출할 것이다. 그러나, 더 짧은 T2 *는 약 400 ns와 약 500 ns(도 9b의 영역 1로 표시됨) 사이의 더 나은 성능을 나타내지만, 더 긴 T2 *는 약 1400 ns에서보다 우수한 성능을 나타낼 것이다(도 6b3의 영역 3으로 표시됨). 도 9b에 도시된 것과 같은 플롯에 의해 지시된 이러한 강한 간섭 영역은 더 큰 측정 감도를 산출하는 τ의 최적화를 허용한다.
또한, 도 9b의 횡축의 감쇠는 T2 *에 의해 특징지어지며, 수직축의 감쇠는 효과적인 라비 주파수 ωeff에 대한 공진 라비 주파수 ωres(아래에서 자세히 설명함)의 비율로 특징지어진다. 유효 라비 주파수는 아래의 수학식 2에 의해 정의될 수 있다:
(2) 
따라서, 공진 라비 주파수와 유효 라비 주파수의 비율은 다음과 같이 공진 라비 주파수에 관해 표현될 수 있다:
(3) 
상기 수학식(3)에 도시된 바와 같이, 공진 라비 주파수(ωres)가 MW 디튜닝(Δ)보다 훨씬 클 때, 유효 라비 주파수에 대한 공진 라비 주파수의 비는 대략 1과 동일할 것이다. 도 9b의 수직축에 도시된 감쇠는 RF 여기 전력에 의해 부분적으로 제어될 수 있다. 아래에서 더 상세히 설명되는 바와 같이, RF 여기 전력이 증가함에 따라, 보다 큰 공진 라비 주파수가 실현될 수 있는 한편, 디튜닝으로 인한 유효 라비 주파수의 변화율을 감소시킬 수 있다. 따라서, 특정 실시예에 따르면, 자력 측정은 최대 콘트라스트를 달성하기 위해 공진 라비 주파수에 의해 지배되는 영역에서{수학식(3)의 비율이 1에 가깝도록} 동작된다.
측정 시퀀스
위의 관찰을 사용하여, 일반적으로 3단계 접근법을 사용하여 매우 민감한 자력 측정을 얻을 수 있다. 이러한 일반적인 접근법에서, 공진 라비 주파수(ωres)를 검증하기 위한 제 1 단계가 수행된다. 두 번째 단계에서는 시스템의 비균질 디페이징(T2 *)을 측정한다. 마지막으로, 제 1 및 제 2 단계에서 얻어진 측정을 사용하여, 수학식(1)의 파라미터 공간이 최적화되고 고감도 자기 계측이 수행된다. 이 세 단계는 아래에서 자세히 설명한다.
공진 라비 주파수의 측정
공진 라비 주파수를 검증하기 위해, 먼저, 자기장 발생기(670)를 사용하는 바이어스 자기장이 시스템(600)에 인가되어 형광 세기 응답의 최 외각 공진이 분리되고 다른 축들에 대한 3 개의 잔류 공진은 중첩된 채로 유지된다. 다음으로, CW-CW 스위프 또는 단일 π 펄스 스위프가 해당 축(즉, 최 외곽 공진)에 대응하는 공진 RF 주파수를 식별하도록 인가된다. 그런 다음, 이 공진에 맞추어서 일련의 라비(라비) 펄스가 인가된다. 도 10은 라비 펄스 시퀀스의 예를 도시한다. 도 10에 도시된 바와 같이, 3주기의 광학 및 RF 여기 펄스가 인가된다. 먼저, 제 1 광 여기 펄스(810)가 인가되고, RF 여기 펄스(820)(예를 들어, MW 펄스)가 뒤따른다. 그 다음, 라비 펄스 시퀀스는 제 2 광 여기 펄스(820)에 의해 완료된다. 일련의 라비 펄스의 인가 동안, RF 펄스가 인가되는 시간 간격(도 10에서 타우τ로 나타내지만, 이 타우(τ)는 램지 펄스 시퀀스에서 자유 프리 세션 간격 τ와 구별됨)은 다양하다. 이 과정에서 일정한 광학 듀티 사이클이 유지되어 시스템의 열 영향을 최소화한다. 이는 도 10에서 제 1 광 펄스(810)과 MW 펄스(820) 사이의 기간(850)으로 도시된 가변 "가드" 윈도우의 사용으로 달성될 수 있다. 가드 윈도우(850)는 MW 펄스(820)가 인가되는 시간까지 제 1 광 펄스(810)가 완전하게 오프되도록 보장하여, 두 펄스 사이의 중첩을 방지하고 제 1 광 펄스(810) 광 펄스는 MW 펄스(820)가 인가되는 동안 NV 다이아몬드 물질을 부분적으로 재초기화한다.
라비 펄스의 적용 후, 공진 라비 주파수(ωres)는 결과 곡선의 주파수에 의해 정의된다. 도 11는 가변 RF 여기 전력(예를 들어, MW 전력)을 사용하는 라비 펄스의 인가 후의 측정된 곡선(A-D)을 도시한다. 곡선(A-D)의 주파수의 차이에 의해 도시된 바와 같이, 시스템(600)에 인가되는 MW 전력을 증가시킴으로써, 획득된 공진 라비 주파수(ωres)가 또한 증가한다. 따라서, 실용적인 라비 주파수(예를 들어, 5 MHz 이상)를 얻으려면 상당한 양의 MW 전력이 사용되어야 한다. 몇몇 실시예들에서, 충분한 MW 전력이 인가되어 펄스의 인가가 짧게 유지되는 동시에, 동시에 MW 전력이 포화를 피하도록 제한될 수 있다. 특정 실시예에서, 약 10 와트의 전력이 인가될 수 있다. RF 여기를 인가하는데 사용되는 RF 여기 소스(630)에 따라, 실용적인 라비 주파수를 달성하기 위해 필요한 전력 요건은 달성하기 어려울 수 있다. 그러나, 특정 실시예에서, RF 여기 소스(630)로서 작은 루프 안테나(예를 들어, 루프 크기가 약 2mm 인 안테나)가 사용될 수 있다. 작은 루프 안테나를 적용함으로써, 높은 MW 전력이 달성될 수 있다 따라서 안테나를 NV 다이아몬드 물질(620)에 더 근접하게 위치시키는 능력으로 인해 필요한 안테나 전력을 상당히 감소시킨다. 따라서, 소형 루프 안테나에 의해 달성되는 MW 전력의 증가는 공진 라비 주파수(ωres)의 증가를 허용한다. 이 측정 과정의 단계에서 얻어진 데이터는 램지 펄스 시퀀스(아래에 설명됨)를 수행하는 데 필요한 π/2 펄스를 결정하는데 사용된다. 이 경우, π는 획득된 라비 곡선의 제 1 최소값(예컨대, 도 11의 곡선 D)으로서 정의될 수 있다.
T2
*
의 측정
측정 과정의 두 번째 단계에서 공진 라비 주파수와 위의 첫 번째 단계에서 얻은 공진 위치로 결정된 π/2 펄스를 사용하여 시스템의 비균질 디페이즈T2 *의 측정을 얻습니다. 램지 펄스 시퀀스가 사용된다는 점을 제외하고 측정은 위에서 설명한 라비 측정과 유사하게 수행된다. 램지 펄스 시퀀스를 참조하여 위에서 설명된 바와 같이, 타우(τ)는 이 단계에서 자유 세차 시간 간격을 나타낸다.
T2 *를 추정할 때, 이조 주파수(Δ)는 특정 실시예에서 상대적으로 높게 설정된다. 상술한 바와 같이, 큰 이조 주파수는 더욱 높은 기본 주파수를 야기하고(예를 들어,도 9a 참조), 더 큰 콘트라스트를 허용하여, 데이터를 더욱 쉽게 맞출 수 있게 한다. 몇몇 실시예들에서, 이조 주파수(Δ)는 약 10 MHz로 설정될 수 있다. 그러나 상대적으로 큰 T2 *의 경우 더 작은 이조 주파수가 사용될 수 있다. 도 8a는 이조 주파수가 약 10 MHz로 설정된 T2 *를 얻는데 사용될 수 있는 FID 곡선의 일례를 도시한다. 도 8a에 도시된 것과 같은 FID 곡선으로부터 T2 * 결정함으로써, 최적 자유 자유 세차 시간(τ)은 도 9b를 참조하여 전술한 강한 간섭 영역에 기초하여 결정될 수 있다. 또한, 특정 실시예에서, 수학식(1)의 세타 항 때문에 최적으로 결정된 자유 세차 시간의 양 측면에 τ의 작은 범위가 수집된다.
자력 측정
측정 과정의 마지막 단계에서 형광 세기 응답의 측정은 위의 단계에서 얻은 파라미터를 사용하여 수행된다. 전술한 바와 같이, 확인된 공진 라비 주파수는 MW π/2 펄스의 지속 시간(RF 여기 펄스 720 및 740으로서 사용됨)을 제공하고, FID 곡선은 최적 자유 자유 세차 시간(τ)의 영역을 결정하는데 사용되는 T2 *를 제공한다. 이 최종 단계 동안, 몇몇 실시예에서, 시스템의 광 분극을 위해 사용된 광 펄스 및 측정 판독을 위해 사용된 광 펄스는 일련의 램지 시퀀스의 적용 중에 하나의 펄스로 병합될 수 있음에 유의해야한다.
또한, 감도를 증가시키기 위해, 일정한 실시예에서 고정된 측정 오차 당 두 번째로 행해진 측정이 증가될 수 있다. 따라서, 감도를 최대화하기 위해, 단일 측정 사이클의 전체 길이는 최소화되어야 하며, 이는 광 여기 소스(610)의 더 높은 광 출력의 사용을 통해 달성될 수 있다. 따라서, 주어진 경우, 특정 실시예에서, 광학 여기 소스(610)는 약 1.25W로 설정될 수 있고, MW π/2 펄스는 약 50ns 동안 인가될 수 있고, 자유 세차 시간(τ)은 약 420ns일 수 있으며, 광학 여기 펄스 지속 시간은 약 50㎲일 수 있다. 또한, MW π/2 펄스 전후에 "가드" 윈도우가 사용될 수 있으며, 이는 각각 약 2.28 μs 및 20 ns 지속 기간으로 설정될 수 있다.
기존의 측정 프로세스에서 세기 응답의 곡선은 일반적으로 경사와 미세 조정 주파수를 얻기 위해 한 번만 측정되며 형광 신호가 모니터링되는 동안 추가 측정은 최적 이조 주파수에서만 수행된다. 그러나, 시스템은 예를 들어, 측정 프로세스 동안의 부정확성 및 오차에 기여할 수 있는 광학 여기 가열(예를 들어, 레이저 유도 가열) 및/또는 변이에 의해 유발되는 드리프트를 경험할 수 있다. 단일 스핀 공진을 추적하는 것은 열 효과로 인해 응답 곡선에서의 변환을 제대로 설명하지 못한다. 따라서, 몇몇 실시예에 따르면, 더 큰 자기장의 대역에 대한 비선형성을 설명하기 위해, 측정 프로세스로부터 얻어진 데이터는 실시간으로 저장되고 측정 사이의 시간을 최소화하기 위해 감도는 오프라인으로 결정된다. 또한, 자기 계측 곡선은 동일한 NV 대칭축에 대해 ms = +1 및 ms = -1 스핀 상태 모두에서 수집된다. 예를 들어, 특정 실시예에서, 램지 시퀀스 동안의 RF 여기 펄스는 낮은 공진(즉, ms = -1 스핀 상태의 공진 주파수) 및 높은 공진(즉, ms = +1의 공진 주파수) 각각의 스핀 상태들(ms= -1 및 ms= +1 스핀 상태들)과 관련된 측정치들을 획득하기 위해 스핀 상태를 사용한다. 따라서, 양 및 음의 스핀 상태에 대해 두 개의 자화 곡선(예를 들어, 도 8b)이 얻어질 수 있다. 개별 주파수에서 RF 펄스를 적용함으로써 온도 및/또는 변형 영향으로 인한 변형을 보상할 수 있다. 자기장 측정은 아래의 수학식 (4) 및 수학식(5)를 이용하여 이루어질 수 있고, 여기서 I는 형광(예를 들어, 적색)의 정규화된 세기를 나타내고, m1 및 m2는 주어진 축에 대해 ms = +1와 ms = -1 각각에 대해 취해진 측정을 나타낸다:
(4) 
(5) 
반대 경사에서 얻어진 측정에 대하여, 수학식(5)에서 플러스가 사용된다. ms= +1 및 ms= -1 스핀 상태의 피크가 변환되면, 세기 응답은 반대 방향으로 발생한다. 한편, 자기장의 변화로 인해 피크가 바깥쪽으로 분리되면, 세기 변화는 적절한 dB 측정값을 산출하는 데 동의하게 된다. 따라서, 동일한 NV 대칭축에 대한 ms= +1 및 ms= -1 스핀 상태 모두에 대한 곡선의 측정을 얻음으로써, 온도 및 자기장으로 인한 변화로 인한 변화가 분리될 수 있다. 따라서, 온도 및/또는 변형 영향으로 인한 병진 이동이 고려될 수 있어, 시스템상의 자기장 기여도를 보다 정확하게 계산할 수 있다.
신호 처리
처리는 전술 한 각각의 단계 동안 얻어진 측정치의 깨끗한 이미지를 획득하기 위해 얻어진 원시 데이터에 대해 수행될 수 있다. 무화과. 도 12은 주어진 측정 사이클 동안 획득될 수 있는 미가공 펄스 데이터 세그먼트의 예를 도시한다. 이론적으로 신호는 광 여기 펄스의 처음 300ns로 정의된다. 그러나, 이 정의는 거의 포화 상태에 있는 광 출력 밀도에 적용된다. 광 출력 밀도가 포화 상태에서 감소함에 따라, 신호의 유용한 부분이 더 연장될 수 있다. 현재, 종래의 처리 방법에서, 시스템이 편광되었을 때, 펄스의 종료는 광학 여기 소스(예를 들어, 레이저)에서의 전력 변동을 설명하기 위해 참조된다. 이것은 도 12에 도시된다, 여기서, 신호는 C에 의해 정의된 제 1 기준 윈도우 또는 기간, 즉 MW 펄스 이후에 참조되는 B(즉, 신호 = C-B)에 의해 정의된 신호 윈도우 또는 기간을 사용하여 획득될 수 있다. 그러나, 특정 실시예에 따르면, 감도를 증가시키기 위해, 기준은 마이크로파 펄스(즉, 신호 =
) 이전에 A로 정의된 제 2 기준 윈도우 또는 기간을 포함하도록 확장될 수 있다. 윈도우들 또는 기간들 내의 샘플들(즉, A, B 및 C)은 각각의 윈도우 또는 기간 내에 포함된 신호의 평균값을 얻기 위해 평균될 수 있다. 또한, 몇몇 실시예에서, 윈도우 또는 기간(예를 들어, 신호 윈도우 B)의 값은 가중된 평균을 사용하여 결정될 수 있다. 또한, 특정 실시예에서, 제 1 및 제 2 기준 윈도우는 도 12에 도시된 바와 같이 신호 윈도우로부터 등 간격으로 이격된다. 이러한 참조의 확장은 신호 획득 동안의 광학 여기 전력 및 시스템의 전체 민감도의 더 나은 평가를 가능하게 한다.
예시적인 실시예들의 상기 설명은 예시 및 설명의 목적으로 제공되었다. 개시된 정확한 형태와 관련하여 포괄적인 또는 제한하려는 것은 아니며, 상기 교시에 비추어 변형 및 변형이 가능하거나, 개시된 실시예의 실행으로부터 획득될 수 있다. 본 발명의 범위는 첨부된 특허 청구 범위 및 그 균등물에 의해 정해져야 한다.
Claims (36)
- 자기 검출을 위한 시스템으로서, 상기 시스템은,
복수의 NV 중심들을 포함하는 질소 공석(NV) 다이아몬드 물질;
RF 여기를 상기 NV 다이아몬드 물질에 제공하도록 구성된 무선 주파수(RF) 여기 소스;
광학 여기를 상기 NV 다이아몬드 물질에 제공하도록 구성된 광학 여기 소스;
상기 NV 다이아몬드 물질에 의해 방출된 광학 신호를 수신하도록 구성된 광학 검출기;
상기 NV 다이아몬드 물질에 인가된 자기장을 생성하도록 구성된 자기장 생성기; 및
제어기로서, 2 개의 광학 여기 펄스 및 2 개의 RF 여기 펄스를 포함하는 제 1 펄스 시퀀스를 상기 NV 다이아몬드 물질에 인가하도록 상기 광학 여기 소스 및 상기 RF 여기 소스를 제어하고;
상기 제 1 펄스 시퀀스로 인해 상기 NV 다이아몬드 물질에 의해 방출된 광학 신호에 기초하여 상기 광학 검출기로부터 제 1 광 검출 신호를 수신하고;
상기 NV 다이아몬드 물질에 제공된 상기 제 1 펄스 시퀀스의 2 개의 RF 여기 펄스와 관련된 상기 제 1 광 검출 신호의 기간(period) 이전의 제 1 기준 기간에서 상기 제 1 광 검출 신호의 제 1 값을 측정하고;
상기 NV 다이아몬드 물질에 제공된 상기 제 1 펄스 시퀀스의 2 개의 RF 여기 펄스와 관련된 상기 제 1 광 검출 신호의 상기 기간 이후의 제 2 기준 기간에서 상기 제 1 광 검출 신호의 제 2 값을 측정하고;
상기 제 1 광 검출 신호의 측정된 제 1 및 제 2 값들에 기초하여 제 1 측정치를 계산하고;
2 개의 광학 여기 펄스 및 2 개의 RF 여기 펄스를 포함하는 제 2 펄스 시퀀스를 상기 NV 다이아몬드 물질에 인가하도록 상기 광학 여기 소스 및 상기 RF 여기 소스를 제어하고;
상기 제 2 펄스 시퀀스로 인해 상기 NV 다이아몬드 물질에 의해 방출된 광학 신호에 기초하여 상기 광학 검출기로부터 제 2 광 검출 신호를 수신하고;
상기 NV 다이아몬드 물질에 제공된 상기 제 2 펄스 시퀀스의 2 개의 RF 여기 펄스와 관련된 상기 제 2 광 검출 신호의 기간 이전의 제 1 기준 기간에서 상기 제 2 광 검출 신호의 제 1 값을 측정하고;
상기 NV 다이아몬드 물질에 제공된 상기 제 2 펄스 시퀀스의 2 개의 RF 여기 펄스와 관련된 상기 제 2 광 검출 신호의 기간 이후의 제 2 기준 기간에서 상기 제 2 광 검출 신호의 제 2 값을 측정하고;
상기 제 2 광 검출 신호의 상기 측정된 제 1 및 제 2 값들에 기초하여 제 2 측정치를 계산하도록 구성된 상기 제어기를 포함하고,
상기 제 1 측정치는 상기 NV 다이아몬드 물질의 고(high) 공진 주파수에 기초하고,
상기 제 2 측정치는 상기 NV 다이아몬드 물질의 저(low) 공진 주파수에 기초하는, 자기 검출을 위한 시스템. - 제 1항에 있어서, 상기 고 공진 주파수 및 상기 저 공진 주파수는 상기 NV 다이아몬드 물질의 NV 중심의 축과 관련된 공진 주파수인, 자기 검출을 위한 시스템.
- 제 1항에 있어서, 상기 제어기는 상기 제 1 및 제 2 측정치들에 기초하여 상기 NV 다이아몬드 물질에 작용하는 외부 자기장의 변화를 계산하도록 추가로 구성되는, 자기 검출을 위한 시스템.
- 자기 검출을 위한 시스템으로서, 상기 시스템은,
복수의 NV 중심들을 포함하는 질소 공석(NV) 다이아몬드 물질;
RF 여기를 상기 NV 다이아몬드 물질에 제공하도록 구성된 무선 주파수(RF) 여기 소스;
광학 여기를 상기 NV 다이아몬드 물질에 제공하도록 구성된 광학 여기 소스;
상기 NV 다이아몬드 물질에 의해 방출된 광학 신호를 수신하도록 구성된 광학 검출기;
상기 NV 다이아몬드 물질에 인가된 자기장을 생성하도록 구성된 자기장 생성기; 및
제어기로서, 2 개의 광학 여기 펄스 및 2 개의 RF 여기 펄스를 포함하는 펄스 시퀀스를 상기 NV 다이아몬드 물질에 인가하도록 상기 광학 여기 소스 및 상기 RF 여기 소스를 제어하고;
상기 펄스 시퀀스로 인해 상기 NV 다이아몬드 물질에 의해 방출된 광학 신호에 기초하여 상기 광학 검출기로부터 광 검출 신호를 수신하고;
상기 NV 다이아몬드 물질에 제공된 상기 2 개의 RF 여기 펄스와 관련된 상기 광 검출 신호의 기간 이전의 제 1 기준 기간에서 상기 광 검출 신호의 제 1 값을 측정하고;
상기 NV 다이아몬드 물질에 제공된 상기 2 개의 RF 여기 펄스와 관련된 상기 광 검출 신호의 상기 기간 이후의 제 2 기준 기간에서 상기 광 검출 신호의 제 2 값을 측정하고;
상기 측정된 제 1 및 제 2 값들에 기초하여 측정 신호를 계산하도록 구성된 상기 제어기를 포함하는,
자기 검출을 위한 시스템. - 제4항에 있어서, 상기 제어기는 상기 제 1 기준 기간 및 상기 제 2 기준 기간 내의 상기 광 검출 신호의 값들의 평균에 기초하여 상기 제 1 값 및 상기 제 2 값을 측정하도록 추가로 구성되는, 자기 검출을 위한 시스템.
- 제4항에 있어서, 상기 제어기는 상기 제 1 값 및 상기 제 2 값의 상기 평균에 기초하여 상기 측정 신호를 계산하도록 추가로 구성되는, 자기 검출을 위한 시스템.
- 제4항에 있어서, 상기 제어기는 상기 제 1 기준 기간 이후 및 상기 제 2 기준 기간 이전의 신호 기간에서 상기 광 검출 신호의 제 3 값을 측정하도록 추가로 구성되는, 자기 검출을 위한 시스템.
- 제7항에 있어서, 상기 제어기는 상기 제 1 값 및 상기 제 2 값의 평균과 상기 제 3 값 사이의 차이에 기초하여 상기 측정 신호를 계산하도록 추가로 구성되는, 자기 검출을 위한 시스템.
- 제4항에 있어서, 상기 제 1 기준 기간은 상기 2 개의 광학 여기 펄스 중 하나와 관련되고, 상기 제 2 기준 기간은 상기 2 개의 광학 여기 펄스 중 다른 하나와 관련되는, 자기 검출을 위한 시스템.
- 자기 검출을 위한 시스템으로서, 상기 시스템은,
복수의 NV 중심들을 포함하는 질소 공석(NV) 다이아몬드 물질;
RF 여기를 상기 NV 다이아몬드 물질에 제공하도록 구성된 무선 주파수(RF) 여기 소스;
광학 여기를 상기 NV 다이아몬드 물질에 제공하도록 구성된 광학 여기 소스;
상기 NV 다이아몬드 물질에 의해 방출된 광학 신호를 수신하도록 구성된 광학 검출기;
상기 NV 다이아몬드 물질에 인가된 자기장을 생성하도록 구성된 자기장 생성기; 및
제어기로서, 2 개의 광학 여기 펄스 및 2 개의 RF 여기 펄스를 포함하는 제 1 펄스 시퀀스를 상기 NV 다이아몬드 물질에 인가하도록 상기 광학 여기 소스 및 상기 RF 여기 소스를 제어하고;
상기 제 1 펄스 시퀀스로 인해 상기 NV 다이아몬드 물질에 의해 방출된 광학 신호에 기초하여 상기 광학 검출기로부터 제 1 광 검출 신호를 수신하고;
상기 제 1 광 검출 신호에 기초하여 제 1 측정치를 계산하고;
2 개의 광학 여기 펄스 및 2 개의 RF 여기 펄스를 포함하는 제 2 펄스 시퀀스를 상기 NV 다이아몬드 물질에 인가하도록 상기 광학 여기 소스 및 상기 RF 여기 소스를 제어하고;
상기 제 2 펄스 시퀀스로 인해 상기 NV 다이아몬드 물질에 의해 방출된 광학 신호에 기초하여 상기 광학 검출기로부터 제 2 광 검출 신호를 수신하고;
상기 제 2 광 검출 신호에 기초하여 제 2 측정치를 계산하도록 구성된 상기 제어기를 포함하고,
상기 제 1 측정치는 상기 NV 다이아몬드 물질의 고(high) 공진 주파수에 기초하고,
상기 제 2 측정치는 상기 NV 다이아몬드 물질의 저(low) 공진 주파수에 기초하는, 자기 검출을 위한 시스템. - 제 10항에 있어서, 상기 고 공진 주파수 및 상기 저 공진 주파수는 상기 NV 다이아몬드 물질의 NV 중심의 축과 관련된 공진 주파수인, 자기 검출을 위한 시스템.
- 제 10항에 있어서, 상기 제 1 펄스 시퀀스의 상기 2 개의 RF 여기 펄스는 상기 NV 다이아몬드 물질의 상기 고 공진 주파수로부터 이조된(detuned) 주파수에서 인가되는, 자기 검출을 위한 시스템.
- 제 10항에 있어서, 상기 제 2 펄스 시퀀스의 상기 2 개의 RF 여기 펄스는 상기 NV 다이아몬드 물질의 상기 저 공진 주파수로부터 이조된(detuned) 주파수에서인가되는, 자기 검출을 위한 시스템.
- 제 10항에 있어서, 상기 제어기는 상기 제 1 및 제 2 측정치들에 기초하여 상기 NV 다이아몬드 물질에 작용하는 외부 자기장의 변화를 계산하도록 추가로 구성되는, 자기 검출을 위한 시스템.
- 자기 검출을 위한 시스템으로서, 상기 시스템은,
복수의 NV 중심들을 포함하는 질소 공석(NV) 다이아몬드 물질;
RF 여기를 상기 NV 다이아몬드 물질에 제공하도록 구성된 무선 주파수(RF) 여기 소스;
광학 여기를 상기 NV 다이아몬드 물질에 제공하도록 구성된 광학 여기 소스;
상기 NV 다이아몬드 물질에 의해 방출된 광학 신호를 수신하도록 구성된 광학 검출기;
상기 NV 다이아몬드 물질에 인가된 자기장을 생성하도록 구성된 자기장 생성기; 및
제어기로서, 복수의 펄스 시퀀스를 상기 NV 다이아몬드 물질에 인가하도록 상기 광학 여기 소스 및 상기 RF 여기 소스를 제어하고, 상기 복수의 펄스 시퀀스의 각각은 2 개의 광학 여기 펄스와 RF 여기 펄스를 포함하고, 상기 RF 여기 펄스의 인가의 시간 기간은 상기 복수의 펄스 시퀀스의 각각 사이에서 가변되며;
상기 복수의 펄스 시퀀스로 인해 상기 NV 다이아몬드 물질에 의해 방출된 광학 신호에 기초하여 상기 광학 검출기로부터 복수의 광 검출 신호를 수신하고;
상기 복수의 펄스 시퀀스의 각각의 RF 여기 펄스와 관련된 기간 이전의 제 1 기준 기간에서 상기 복수의 광 검출 신호의 각각의 제 1 값을 측정하고;
상기 복수의 펄스 시퀀스의 각각의 RF 여기 펄스와 관련된 상기 기간 이후의 제 2 기준 기간에서 상기 복수의 광 검출 신호의 각각의 제 2 값을 측정하고;
상기 복수의 측정된 제 1 및 제 2 값들에 기초하여 복수의 측정 신호를 계산하고;
상기 복수의 측정 신호들의 주파수를 산출하도록 구성된 상기 제어기를 포함하는,
자기 검출을 위한 시스템. - 제 15항에 있어서, 상기 주파수는 공진 라비(Rabi) 주파수인, 자기 검출을 위한 시스템.
- 제 15항에 있어서, 상기 RF 여기 소스는 마이크로파 안테나인, 자기 검출을 위한 시스템.
- 제 17항에 있어서, 상기 마이크로파 안테나는 소형 루프 안테나인, 자기 검출을 위한 시스템.
- 제 18항에 있어서, 상기 소형 루프 안테나는 직경이 약 2 mm인 루프를 포함하는. 자기 검출을 위한 시스템.
- 제 17항에 있어서, 상기 마이크로파 안테나는 적어도 10 와트의 마이크로파 전력을 제공하도록 구성되는, 자기 검출을 위한 시스템.
- 제 14항에 있어서, 상기 제어기는 상기 복수의 펄스 시퀀스의 각각 동안에 상기 2 개의 광학 여기 펄스들 중 하나, 뒤이어, 상기 RF 여기 펄스 및 상기 2 개의 광학 여기 펄스들 중 다른 하나를 인가하도록 구성되는, 자기 검출을 위한 시스템.
- 제 21항에 있어서, 상기 제어기는 상기 복수의 펄스 시퀀스의 각각 동안에 상기 2 개의 광학 여기 펄스들 중 상기 하나와 상기 RF 여기 펄스 사이에 윈도우를 인가하도록 구성되며, 상기 윈도우는 상기 NV 다이아몬드 물질에 인가되는 여기 또는 광학 여기가 없는 기간인, 자기 검출을 위한 시스템.
- 제 15항에 있어서, 상기 제어기는 상기 복수의 측정 신호들 중의 제 1 최소값을 식별하도록 추가로 구성되는, 자기 검출을 위한 시스템.
- 자기 검출을 위한 시스템으로서, 상기 시스템은,
복수의 NV 중심들을 포함하는 질소 공석(NV) 다이아몬드 물질;
RF 여기를 상기 NV 다이아몬드 물질에 제공하도록 구성된 무선 주파수(RF) 여기 소스;
광학 여기를 상기 NV 다이아몬드 물질에 제공하도록 구성된 광학 여기 소스;
상기 NV 다이아몬드 물질에 의해 방출된 광학 신호를 수신하도록 구성된 광학 검출기;
상기 NV 다이아몬드 물질에 인가된 자기장을 생성하도록 구성된 자기장 생성기; 및
제어기로서, 복수의 펄스 시퀀스를 상기 NV 다이아몬드 물질에 인가하도록 상기 광학 여기 소스 및 상기 RF 여기 소스를 제어하고, 상기 복수의 펄스 시퀀스의 각각은 2 개의 광학 여기 펄스와 2 개의 RF 여기 펄스를 포함하고, 상기 2 개의 RF 여기 펄스의 인가 사이의 시간 기간은 상기 복수의 펄스 시퀀스의 각각 사이에서 가변되며;
상기 복수의 펄스 시퀀스로 인해 상기 NV 다이아몬드 물질에 의해 방출된 광학 신호에 기초하여 상기 광학 검출기로부터 복수의 광 검출 신호를 수신하고;
상기 복수의 펄스 시퀀스의 각각의 상기 RF 여기 펄스와 관련된 기간 이전의 제 1 기준 기간에서 상기 복수의 광 검출 신호의 각각의 제 1 값을 측정하고;
상기 복수의 펄스 시퀀스의 각각의 상기 RF 여기 펄스와 관련된 상기 기간 이후의 제 2 기준 기간에서 상기 복수의 광 검출 신호의 각각의 제 2 값을 측정하고;
상기 복수의 측정된 제 1 및 제 2 값들에 기초하여 복수의 측정 신호를 계산하고;
상기 복수의 측정 신호들의 감쇠 시간(decay time)을 산출하도록 구성된 상기 제어기를 포함하는,
자기 검출을 위한 시스템. - 제 24항에 있어서, 상기 복수의 펄스 시퀀스의 각각의 상기 2 개의 RF 여기 펄스들은 약 10 MHz의 주파수에서 인가되는, 자기 검출을 위한 시스템.
- 복수의 NV 중심들을 포함하는 질소 공석(NV) 다이아몬드 물질을 갖는 자기 검출을 위한 시스템으로서, 상기 시스템은,
NV 다이아몬드 물질에 RF 여기를 제공하기 위한 수단;
NV 다이아몬드 물질에 광학 여기를 제공하기 위한 수단;
상기 NV 다이아몬드 물질에 의해 방출된 광학 신호를 수신하기 위한 수단;
상기 NV 다이아몬드 물질에 인가된 자기장을 발생시키기 위한 수단;
2 개의 광학 여기 펄스 및 2 개의 RF 여기 펄스를 포함하는 펄스 시퀀스를 상기 NV 다이아몬드 물질에 인가하기 위한 수단;
상기 펄스 시퀀스로 인해 상기 NV 다이아몬드 물질에 의해 방출된 광학 신호에 기초하여 광 검출 신호를 수신하기 위한 수단;
상기 NV 다이아몬드 물질에 제공된 상기 2 개의 RF 여기 펄스와 관련된 상기 광 검출 신호의 기간 이전의 제 1 기준 기간에서 상기 광 검출 신호의 제 1 값을 측정하기 위한 수단;
상기 NV 다이아몬드 물질에 제공된 상기 2 개의 RF 여기 펄스와 관련된 상기 광 검출 신호의 상기 기간 이후의 제 2 기준 기간에서 상기 광 검출 신호의 제 2 값을 측정하기 위한 수단; 및
상기 측정된 제 1 및 제 2 값들에 기초하여 측정 신호를 계산하기 위한 수단을 포함하는, 시스템. - 복수의 NV 중심들을 포함하는 질소 공석(NV) 다이아몬드 물질 상에 작용하는 자기장을 검출하기 위한 방법으로서, 상기 방법은,
2 개의 광학 여기 펄스 및 2 개의 RF 여기 펄스를 포함하는 펄스 시퀀스를 상기 NV 다이아몬드 물질에 인가하도록 광학 여기 소스 및 RF 여기 소스를 제어하는 단계;
상기 펄스 시퀀스로 인해 상기 NV 다이아몬드 물질에 의해 방출된 광학 신호에 기초하여 상기 광학 검출기로부터 광 검출 신호를 수신하는 단계;
상기 NV 다이아몬드 물질에 제공된 상기 2 개의 RF 여기 펄스와 관련된 상기 광 검출 신호의 기간 이전의 제 1 기준 기간에서 상기 광 검출 신호의 제 1 값을 측정하는 단계;
상기 NV 다이아몬드 물질에 제공된 상기 펄스 시퀀스의 상기 2 개의 RF 여기 펄스와 관련된 상기 광 검출 신호의 상기 기간 이후의 제 2 기준 기간에서 상기 광 검출 신호의 제 2 값을 측정하는 단계;
상기 측정된 제 1 및 제 2 값들에 기초하여 측정 신호를 계산하는 단계를 포함하는, 방법. - 제 27항에 있어서, 상기 제 1 값 및 상기 제 2 값의 평균에 기초하여 상기 측정 신호를 계산하는 단계를 더 포함하는, 방법.
- 제 27항에 있어서, 상기 제 1 기준 기간 이후 및 상기 제 2 기준 기간 이전의 신호 기간에서 상기 광 검출 신호의 제 3 값을 측정하는 단계를 더 포함하는, 방법.
- 제 29항에 있어서, 상기 제 1 및 제 2 값의 평균과 상기 제 3 값 사이의 차이에 기초하여 상기 측정 신호를 계산하는 단계를 더 포함하는 방법.
- 자기 검출을 위한 시스템으로서, 상기 시스템은,
복수의 자기-결함 중심을 포함하는 자기-결함 중심 물질;
상기 자기-결함 중심 물질에 RF 여기를 제공하도록 구성된 무선 주파수(RF) 여기 소스;
상기 자기-결함 중심 물질에 광학 여기를 제공하도록 구성된 광학 여기 소스;
상기 자기-결함 중심 물질에 의해 방출된 광학 신호를 수신하도록 구성된 광학 검출기;
상기 자기-결함 중심 물질에 인가되는 자기장을 생성시키도록 구성된 자기장 생성기; 및
제어기로서, 2 개의 광학 여기 펄스 및 2 개의 RF 여기 펄스를 포함하는 펄스 시퀀스를 상기 자기-결함 중심 물질에 인가하도록 상기 광학 여기 소스 및 상기 RF 여기 소스를 제어하고;
상기 펄스 시퀀스로 인해 상기 자기-결함 중심 물질에 의해 방출된 광학 신호에 기초하여 상기 광학 검출기로부터 광 검출 신호를 수신하고;
상기 자기-결함 중심 물질에 제공된 상기 2 개의 RF 여기 펄스와 관련된 상기 광 검출 신호의 기간 이전의 제 1 기준 기간에서 상기 광 검출 신호의 제 1 값을 측정하고;
상기 자기-결함 중심 물질에 제공된 상기 2 개의 RF 여기 펄스와 관련된 상기 광 검출 신호의 상기 기간 이후의 제 2 기준 기간에서 상기 광 검출 신호의 제 2 값을 측정하고;
상기 측정된 제 1 및 제 2 값들에 기초하여 측정 신호를 계산하도록 구성된 상기 제어기를 포함하는,
자기 검출을 위한 시스템. - 복수의 NV 중심들을 포함하는 질소 공석(NV) 다이아몬드 물질을 갖는 자기 검출을 위한 시스템으로서, 상기 시스템은,
NV 다이아몬드 물질에 RF 여기를 제공하기 위한 수단;
NV 다이아몬드 물질에 광학 여기를 제공하기 위한 수단;
상기 NV 다이아몬드 물질에 의해 방출된 광학 신호를 수신하기 위한 수단;
상기 NV 다이아몬드 물질에 인가된 자기장을 발생시키기 위한 수단;
2 개의 광학 여기 펄스 및 2 개의 RF 여기 펄스를 포함하는 제 1 펄스 시퀀스를 상기 NV 다이아몬드 물질에 인가하기 위한 수단;
상기 제 1 펄스 시퀀스로 인해 상기 NV 다이아몬드 물질에 의해 방출된 광학 신호에 기초하여 제 1 광 검출 신호를 수신하기 위한 수단;
상기 제 1 광 검출 신호에 기초하여 제 1 측정치를 계산하기 위한 수단;
2 개의 광학 여기 펄스 및 2 개의 RF 여기 펄스를 포함하는 제 2 펄스 시퀀스를 상기 NV 다이아몬드 물질에 인가하기 위한 수단;
상기 제 2 펄스 시퀀스로 인해 상기 NV 다이아몬드 물질에 의해 방출된 광학 신호에 기초하여 제 2 광 검출 신호를 수신하기 위한 수단; 및
상기 제 2 광 검출 신호에 기초하여 제 2 측정치를 계산하기 위한 수단;을 포함하고,
상기 제 1 측정치는 상기 NV 다이아몬드 물질의 고(high) 공진 주파수에 기초하고,
상기 제 2 측정치는 상기 NV 다이아몬드 물질의 저(low) 공진 주파수에 기초하는, 시스템. - 복수의 NV 중심들을 포함하는 질소 공석(NV) 다이아몬드 물질 상에 작용하는 자기장을 검출하기 위한 방법으로서, 상기 방법은,
2 개의 광학 여기 펄스 및 2 개의 RF 여기 펄스를 포함하는 제 1 펄스 시퀀스를 상기 NV 다이아몬드 물질에 인가하도록 광학 여기 소스 및 RF 여기 소스를 제어하는 단계;
상기 제 1 펄스 시퀀스로 인해 상기 NV 다이아몬드 물질에 의해 방출된 광학 신호에 기초하여 상기 광학 검출기로부터 제 1 광 검출 신호를 수신하는 단계;
상기 제 1 검출 신호에 기초하여 제 1 측정치를 계산하는 단계;
2 개의 광학 여기 펄스 및 2 개의 RF 여기 펄스를 포함하는 제 2 펄스 시퀀스를 상기 NV 다이아몬드 물질에 인가하도록 상기 광학 여기 소스 및 상기 RF 여기 소스를 제어하는 단계;
상기 제 2 펄스 시퀀스로 인해 상기 NV 다이아몬드 물질에 의해 방출된 광학 신호에 기초하여 상기 광학 검출기로부터 제 2 광 검출 신호를 수신하는 단계; 및
상기 제 2 검출 신호에 기초하여 제 2 측정치를 계산하는 단계;를 포함하고,
상기 제 1 측정치는 상기 NV 다이아몬드 물질의 고(high) 공진 주파수에 기초하고,
상기 제 2 측정치는 상기 NV 다이아몬드 물질의 저(low) 공진 주파수에 기초하는, 방법. - 제 33항에 있어서, 상기 고 공진 주파수 및 상기 저 공진 주파수는 상기 NV 다이아몬드 물질의 NV 중심의 축과 관련된 공진 주파수인, 방법.
- 제 33항에 있어서, 상기 제 1 및 제 2 측정치들에 기초하여 상기 NV 다이아몬드 물질에 작용하는 외부 자기장의 변화를 계산하는 단계를 더 포함하는, 방법.
- 자기 검출을 위한 시스템으로서, 상기 시스템은,
복수의 자기-결함 중심을 포함하는 자기-결함 중심 물질;
RF 여기를 상기 자기-결함 중심 물질에 제공하도록 구성된 무선 주파수(RF) 여기 소스;
광학 여기를 상기 자기-결함 중심 물질에 제공하도록 구성된 광학 여기 소스;
상기 자기-결함 중심 물질에 의해 방출된 광학 신호를 수신하도록 구성된 광학 검출기;
상기 자기-결함 중심 물질에 인가된 자기장을 생성하도록 구성된 자기장 생성기; 및
제어기로서, 2 개의 광학 여기 펄스 및 2 개의 RF 여기 펄스를 포함하는 제 1 펄스 시퀀스를 상기 자기-결함 중심 물질에 인가하도록 상기 광학 여기 소스 및 상기 RF 여기 소스를 제어하고;
상기 제 1 펄스 시퀀스로 인해 상기 자기-결함 중심 물질에 의해 방출된 광학 신호에 기초하여 상기 광학 검출기로부터 제 1 광 검출 신호를 수신하고;
상기 제 1 광 검출 신호에 기초하여 제 1 측정치를 계산하고;
2 개의 광학 여기 펄스 및 2 개의 RF 여기 펄스를 포함하는 제 2 펄스 시퀀스를 상기 자기-결함 중심 물질에 인가하도록 상기 광학 여기 소스 및 상기 RF 여기 소스를 제어하고;
상기 제 2 펄스 시퀀스로 인해 상기 자기-결함 중심 물질에 의해 방출된 광학 신호에 기초하여 상기 광학 검출기로부터 제 2 광 검출 신호를 수신하고;
상기 제 2 광 검출 신호에 기초하여 제 2 측정치를 계산하도록 구성된 상기 제어기를 포함하고,
상기 제 1 측정치는 상기 자기-결함 중심 물질의 고(high) 공진 주파수에 기초하고,
상기 제 2 측정치는 상기 자기-결함 중심 물질의 저(low) 공진 주파수에 기초하는, 자기 검출을 위한 시스템.
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