阅读说明：本技术 用于测量磁场方向的方法和设备 (Method and apparatus for measuring the direction of a magnetic field ) 是由 F.普尔克尔 A.布伦奈斯 R.勒尔韦 于 2019-03-06 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种用于测量外部磁场的磁场方向的方法,该方法具有步骤：将样品(2)引入(S1)到外部磁场中,其中样品(2)具有缺陷,所述缺陷预先规定样品(2)的相对应的取向方向；在样品(2)的区域中产生(S2)交变磁场,所述交变磁场具有预先规定的或者可预先规定的磁场方向；测量(S3)由于样品(2)与交变磁场的相互作用引起的自旋共振效应；和在使用所测量的自旋共振效应和使用交变磁场的磁场方向相对于样品(2)的取向方向的定向的情况下,测定(S4)外部磁场的磁场方向。(The invention relates to a method for measuring the magnetic field direction of an external magnetic field, comprising the following steps: introducing (S1) the sample (2) into an external magnetic field, wherein the sample (2) has a defect which predefines a corresponding orientation direction of the sample (2); generating (S2) an alternating magnetic field in the region of the sample (2), said alternating magnetic field having a predefined or predefinable magnetic field direction; measuring (S3) a spin resonance effect due to interaction of the sample (2) with the alternating magnetic field; and determining (S4) the magnetic field direction of the external magnetic field using the measured spin resonance effect and using the orientation of the magnetic field direction of the alternating magnetic field with respect to the orientation direction of the sample (2).)

用于测量磁场方向的方法和设备

技术领域

本发明涉及一种用于测量外部磁场的磁场方向的方法和一种相对应的设备。

背景技术

确定磁场在传感器技术中起到重要作用。例如，在车辆中或者利用便携式设备，可测定用于导航的方位。也为了对金属的或者磁的对象进行测位，需要高精度的磁场传感器。磁场的将来的可能应用可以是人机接口。借助磁场传感器，测量在大脑活动中形成的电流。

借助磁场脉冲确定磁场例如从WO 2016/118791 A1中已知。为此，采用带有具有氮空位中心（NV中心）的金刚石的样品。

Balasubramanian的“Nanoscale imaging magnetometry with diamond spinsunder ambient conditions”（Nature，第455卷，第648-651页，2008年）提供了对NV中心的研究。

除了精确地确定磁场强度之外，对于许多应用而言也要求知晓磁场方向。因此存在对可小型化的和成本有利的传感器设备的需求，以确定磁场方向。

发明内容

本发明提供了具有权利要求1的特征的一种用于测量外部磁场的磁场方向的方法，并且提供了具有权利要求9的特征的一种用于测量外部磁场的磁场方向的设备。

优选的实施形式是相应的从属权利要求的主题。

根据第一方面，本发明因此涉及一种用于测量外部磁场的磁场方向的方法。样品被引入到外部磁场中，其中该样品具有缺陷，所述缺陷预先规定样品的相对应的取向方向（Orientierungsrichtung）。在样品的区域中产生具有预先规定的或者可预先规定的磁场方向的交变磁场。由于样品与交变磁场的相互作用而形成自旋共振效应，并且测量这些自旋共振效应。在使用所测量的自旋共振效应和使用交变磁场的磁场方向相对于样品的取向方向的定向（Ausrichtung）的情况下，测定外部磁场的磁场方向。

根据第二方面，本发明因此涉及一种用于测量外部磁场的磁场方向的设备，所述设备具有样品，所述样品可引入到外部磁场中。该样品具有缺陷，所述缺陷预先规定相对应的取向方向。所述设备进一步具有磁场装置，所述磁场装置可以在样品的区域中产生具有预先规定的或者可预先规定的磁场方向的交变磁场。该设备具有测量装置，所述测量装置测量自旋共振效应，所述自旋共振效应由样品与交变磁场的相互作用造成。最后，该设备具有评估装置，所述评估装置在使用所测量的自旋共振效应和使用交变磁场的磁场方向相对于样品的取向方向的定向的情况下来测定外部磁场的磁场方向。

本发明的优点

本发明能够实现，依据对具有缺陷的样品的调查，测量开头未知的外部磁场的磁场方向。交变磁场的磁场方向相对于样品的取向方向的定向是已知的，并且被考虑用于测定外部磁场的磁场方向。样品例如可以是具有预先规定的晶体结构的固体。在晶体生长时，可能出现确定的缺陷，其中缺陷的定向典型地限于少数几个通过晶体结构预先规定的方向。这些取向方向已经由于样品的制造方法而可能是已知的。然而根据其他实施形式，也可以在下面进一步描述的校准步骤中测定这些取向方向。

与通过恒定电流产生的静态磁场相比，或与磁场脉冲相比，通过使用交变磁场可以实现明显更低的能量消耗。由此，本方法和本设备尤其是也适用于在移动应用中采用。

根据本方法的优选的改进方案，测量自旋共振效应包括测量光探测磁共振（ODMR）和/或电探测磁共振（EDMR）。根据一实施形式，测量自旋共振效应可以包括：测量ODMR谱和/或EDMR谱。测定调节参量（即所施加的交变磁场的方向和数值）对电子自旋共振的谱的影响。谱的测量被理解为根据变量来测定测量参量，其中所述变量以优选地相同的步长变化。然而根据确定的实施形式，只测量谱中的确定的点。因此，并不一定要求完整确定该谱。

根据其他实施形式，自旋共振效应也可以是核自旋共振效应。

根据本方法的优选的改进方案，样品是金刚石，其中缺陷是NV中心。取向方向对应于金刚石晶格中的NV中心的四个可能的定向中的至少一个定向。取向方向指的是从氮原子N和空位V的布局中得出的那个轴线。

根据本方法的优选的改进方案，垂直于取向方向中的一个取向方向来设定（eingestellt）交变磁场的磁场方向。所测量的自旋共振效应的共振频率被测定，并且被分配给该取向方向。在使用分配给该取向方向的共振频率的情况下，确定磁场方向。

根据本方法的优选的改进方案，相继地针对所有取向方向，执行交变磁场的设定和共振频率的测定。在使用金刚石样品的情况下，因此针对四个取向方向重复这些测量。

根据本方法的优选的改进方案，在使用交变磁场的情况下，在校准步骤中测定样品的取向方向。因此，不要求最初知晓样品的取向方向。

根据本方法的优选的实施形式，校准步骤包括多个单个步骤。这样，样品被引入到外部测试磁场中，该外部测试磁场具有已知的磁场强度和磁场方向。交变磁场的磁场方向相对于外部测试磁场的磁场方向变化，并且测定自旋共振效应的最大值。在使用交变磁场的出现自旋共振效应的最大值的那些磁场方向的情况下，测定样品的取向方向。

根据本方法的改进方案，与如下磁场方向正交地测定样品的取向方向之一：在所述磁场方向的情况下，出现自旋共振效应的最大值。

根据本设备的优选的改进方案，磁场装置构造为，使所发出的交变磁场的磁场方向变化。

附图说明

附图：

图1示出了根据本发明的实施形式的用于测量外部磁场的磁场方向的设备的示意性框图；

图2示出了具有NV中心的金刚石晶格的示意性图解；

图3示出了NV中心的基态和激发的能级的图解；

图4示出了在NV中心的取向方向、外部磁场和交变磁场之间的角度的图解；

图5示出了本设备的磁场装置和样品的示意性横截面视图；

图6示出了本设备的磁场装置和样品的示意性斜视图；

图7针对具有不同的磁场强度的外部磁场示出了单个NV中心的光探测磁共振；

图8示出了NV中心的系综（Ensemble）的光探测磁共振；

图9示出了交变磁场相对于NV中心的四个取向轴线的可能的角度位置的图解；

图10示出了与在图9中所图解说明的角度位置相关的跃迁概率；和

图11示出了根据本发明的实施形式的用于测量外部磁场的磁场方向的方法的流程图。

在所有附图中，相同的或功能相同的元件和设备配备有同一附图标记。

具体实施方式

图1示出了用于测量外部磁场的设备1的示意性框图。

设备1具有样品2，其中所述样品2优选地是具有固定地预先规定的晶体结构的固体。样品2具有缺陷，所述缺陷预先规定相对应的取向方向。在最简单的情况下，可以涉及单个缺陷，比方说在金刚石样品2中的单个NV中心。然而，为了获得较强的信号，优选地涉及这样的缺陷的系综。尤其是，可以涉及具有多个NV中心的金刚石样品2。视晶格中的取向而定，NV中心可以具有四个不同的取向方向。

样品2引入到设备1的磁场装置3中，或者可引入到所述磁场装置3中。磁场装置3构造为，产生共振的交变磁场，所述交变磁场可以激发样品的电子或者核子的自旋。激发的强度与交变磁场相对于样品2的取向方向的定向有关。该定向要么可以一开始已经是已知的，要么可以通过下面进一步描述的校准步骤来测定。激发的强度进一步与如下外部磁场的磁场强度和磁场方向有关：所述外部磁场要借助设备1来调查。

（电子或者核子的）自旋的激发导致自旋共振效应，所述自旋共振效应由设备1的测量装置4来检测。测量装置4输出测量信号，所述测量信号由设备1的评估装置5来评估。

评估装置5构造为，在使用测量信号的情况下，以及在考虑交变磁场的磁场方向相对于样品的取向方向的定向的情况下，确定外部磁场的磁场方向。

设备1的示例性的构建方案依据下列图更详细地予以阐述。

这样，样品2优选地是具有NV中心的金刚石样品。如在图2中所示出的那样，在这种情况下涉及氮原子N和空位V，所述氮原子N和空位V在金刚石的晶格中出现。由于金刚石的晶体结构，NV中心可以指向四个不同的方向，所述四个不同方向因此预先规定了样品2的突出的取向方向。

在图3中绘出了NV中心的电子的能级。基态³A形成自旋三重态，其中在不存在外部磁场的情况下，在m_s=0状态与m_s=+/-1状态之间的零场***（ZFS，zero fieldsplitting）具有为2.87GHz的值。如果样品2被引入到外部磁场中，这两个m_s=+/-1状态由于塞曼效应而***。

NV中心进一步具有受激的三重态状态³E，该受激的三重态状态³E具有相对应的量子数m_s=0、+/-1。最后，存在亚稳单重态状态¹A。

磁场装置3在微波范围中的交变磁场产生NV中心的电子自旋的状态改变，并且因此导致电子自旋共振ESR。然而，本发明并不限于具有NV中心的金刚石。例如，具有SiV中心的SiC样品也是合适的。也可设想的是，利用具有不是极小的核自旋的核子的核自旋共振。

为了测量外部磁场，设备1运动进入该外部磁场中。优选地，在第一步骤中执行初始化。这样，电子一开始以基本上相同的概率处于基态³A的m_s=0、+/-1状态中。通过利用绿光激发，自旋被激发到受激态³E的相对应的自旋态中。最后，电子经由亚稳态¹A达到m_s=0基态。在初始化之后，因此基本上所有电子都处于m_s=0基态中。

在第二步骤中，执行对样品2的操纵。为此，通过磁场装置3施加交变磁场。交变磁场的波长或频率基本上对应于从基态³A的m_s=0状态到m_s=+/-1状态中的激发。

在第三步骤中，借助测量装置4来检测自旋共振效应，并且通过评估装置5来评估自旋共振效应，所述评估装置5确定外部磁场的磁场方向。在这种情况下，外部磁场的磁场方向与在磁矩（就是说NV中心的优选方向或者取向方向）与静态的或者准静态的外部磁场之间的第一角度θ有关。这样，在磁矩μ（所述磁矩μ沿着取向方向之一指向）与外部磁场B之间的磁相互作用H_mag通过这两个矢量参量构成的乘积给出：

。

在NV中心的情况下，该表达式对于塞曼***内容是：

，

其中γ对应于NV中心的陀螺比例，γ≈28.024GHz/T。如果交变磁场的所放射的频率f对应于附加的塞曼***：

(1)，

则发生磁共振。此处，D=2.87GHz对应于上面谈及的零场***（ZFS，参见图3）。

进一步地，磁场方向与在交变磁场与取向方向之间的第二角度θ_RF有关。这样，交变磁场的耦合强度B_RF通过章动频率ω_nut给出。这与第二角度θ_RF有关：

(2)

式子（2）适用于自旋1/2系统。自旋1系统的章动频率ω_nut大了为根号2=1.41的因子。

在共振微波激发时，章动频率ω_nut确定在基态³A中的能级m_s=0、±1之间的置乱。由此直接确定：多大可能进行NV中心的辐射荧光，那就是说从状态³E, m_s=0驰豫到状态³A，ms=0中；或者是否通过非辐射弛豫减小荧光，就是说从状态³E, ms = +/-1经由暗态¹A驰豫到基态³A，m_s=0中。相对应地，以光学方式探测到的荧光信号的幅值与交变磁场的磁场强度|B_RF|和磁场方向或第二角度θ_RF有关。

交变磁场对基态中的置乱的影响可以通过相对应的传播子来计算。在共振激发时，该传播子对于交变磁场脉冲内容是：

(3)

角度φ_p对应于所放射的交变磁场的相位。τ_p是如下持续时间：在所述持续时间期间，放射该交变磁场。R_i(φ)是如下高频脉冲的传播子：所述高频脉冲的传播子将二能阶系统围绕轴线i=x、y、z转动了角度φ。

光探测磁共振的幅值因此与第二角度θ_RF有关。在图4中图解说明了第一角度θ和第二角度θ_RF。

样品2固定地布置在磁场装置3中。图5示出了对样品2和磁场装置3的示意性横截面视图，并且图6示出了对样品2和磁场装置3的示意性斜视图。这样，磁场装置3优选地具有三个彼此垂直的导体线圈或波导31、32、33。导体线圈或波导中的每个都承担了在样品2之内沿着一个空间方向产生交变磁场的任务。由此并且与导体线圈或波导组合地，可以产生任意方向的交变磁场（AC-Vektormagnet（AC矢量磁体））。由此，磁场装置3构造为，产生在任意方向上取向的交变磁场。然而根据其他实施形式，磁场装置3也可以具有仅两个彼此垂直的导体线圈，并且由此可以产生在一个平面之内可变化的交变磁场。

电子自旋共振可以经由荧光特性的改变来证明，就是说通过光探测磁共振ODMR来证明。这样，ODMR谱给出了关于要测量的场的幅值的说明。

在图7中，针对具有不同的磁场强度的外部磁场B，图解说明了针对唯一的NV中心的作为交变磁场的频率f的函数的ODMR谱。在不存在外部磁场的情况下（B=0，参见图7），如果交变磁场的频率对应于零场***，则m_s=+/-1状态退化，就是说仅出现唯一的共振。在施加磁场的情况下，出现两个共振频率ω_1和ω_2，这两个共振频率针对外部磁场的较大的磁场强度进一步彼此远离。在共振频率的情况下，ODMR谱的幅值A分别具有最小值或凹部（Dip），因为通过共振的交变磁场激发的状态经由亚稳态¹A衰变并且因此在荧光谱中引起降低的幅值。因此，如果交变磁场的频率对应于基态³A的磁跃迁，例如对应于从m_s=0向m_s=1的跃迁，那么幅值正好减小。ODMR的作用原理在于，来自基态m_s=+/-1的光激发拥有非辐射地衰变到暗态¹A中的高可能性，由此这些光激发在较长的时间内不可供荧光过程使用。由此，在利用交变磁场进行共振激发的情况下，荧光强度减小。

在图8中，图解说明了针对NV中心的系综的ODMR谱。NV中心的四个取向方向导致四对各有两个的凹部D1-D1至D4-D4连带相对应的共振频率对。凹部D1-D1至D4-D4的深度（就是说ODMR谱中的幅值A）与在交变磁场和相应的取向方向之间的第二角度θ_RF有关。

在图9中图解说明了四个可能的取向方向A1至A4，其中第一取向方向A1沿着z轴走向。交变磁场示例性地具有相对于x轴的第三角度φ_RF，并且处于x-y平面之内。

在图10中，图解说明了作为第三角度φ_RF的函数的跃迁概率P的相对应的相关性。跃迁概率P与ODMR谱中的共振幅值成比例。由于交变磁场垂直于第一取向方向A1走向，所以第一跃迁概率B1具有恒定的走向。章动频率对于z方向而言是最大的，因为交变磁场在x-y平面中振荡。与第三角度φ_RF无关地，л脉冲在该情况下将使占用概率逆转。第二到第四跃迁概率B2至B4分别具有彼此偏移的最小值C2至C4、就是说与第三角度φ_RF的特征性相关性。

优选地，因而选择由磁场装置3施加的垂直于取向方向A1至A4之一的交变磁场，并且紧接着，磁场方向在该平面之内变化。通过测定最小值C2至C4，可以确定第三角度φ_RF，并且由此确定在ODMR谱中的取向方向A2至A4。由此，凹部对D1-D1至D4-D4或相对应的共振频率可以被分配给相应的取向方向。

原则上可能的是，通过在唯一的第三角度φ_RF的情况下进行测量，测定取向方向。在该情况下，交变磁场的磁场不一定必须是可变的。然而由于针对固定的第三角度φ_RF经常只能困难地区分不同的跃迁概率B1至B4，所以第三角度φ_RF的变化是有利的。

一般而言，为此，二维RF磁体已经适合作为磁场装置3。然而优选地，磁场装置3的交变磁场在所有三个空间方向上都是可设定的。由此，可以提高方向确定的精度。优选地，因此针对所有取向方向A1至A4，相继地执行本方法。

如果交变磁场与四个可能的取向方向中的一个取向方向正交地定向，则共振线具有与另外三个共振线相比更强的与交变磁场的相关性。共振因此展现出在谱中的最大信号幅值。就是说，在ODMR谱中的相对应的凹部是极值的（最小值）。由此，可以给出现的共振线分配绝对方向。根据等式（1），评估装置5可以测定磁场的数值和方向。除了磁场强度之外，因此也可以确切地确定外部磁场的磁场方向。

因此，由于交变磁场的矢量控制、就是说交变磁场的磁场方向的可设定性，本发明能够实现将ODMR谱中的峰值分配给绝对的空间轴线。

根据一实施形式，已经已知了交变磁场的磁场方向相对于样品2的取向方向的定向。例如，由于样品2的制造方法，已经可以已知样品2的取向方向的位置。样品2以固定的取向与磁场装置3连接，或被***到该磁场装置3中。依据流经导体线圈31、32、33的电流，评估装置5此外还可以始终计算由磁场装置3施加的交变场的精确的磁场方向。依据这些信息，评估装置5因此可以计算交变磁场的磁场方向相对于样品2的取向方向的定向。

然而根据其他实施形式，可以在开头执行的校准步骤中确定该定向。在该设备1初次投入运行之前或者在每次测量外部磁场之前，可以执行该校准步骤。

因此，样品首先被引入到外部测试磁场中，所述外部测试磁场具有已知的磁场强度和磁场方向。该测试磁场的磁场强度例如可以为1mT。由此防止了，电子自旋共振的如下四对D1-D1至D4-D4退化：这四对D1-D1至D4-D4对应于在金刚石中的NV中心的四个可能的定向。

现在，交变磁场的磁场方向相对于外部测试磁场的磁场方向变化。例如，第二角度θ_RF和第三角度Φ_RF可以以为10°的步长变化。借助测量装置4，产生ODMR谱。所记录的ODMR谱在共振的幅值方面被分析。尤其是，测定如下这些角度对（θ_RF，Φ_RF）：对于所述角度对，ODMR谱中的幅值取最大值。这例如可以通过拟合计算（Ausgleichsrechnung）进行。这样测定的角度对撑开如下平面：所述平面与相对应的晶体方向或取向方向正交。针对所有四个取向方向，可以执行本方法。由此，所有相关的角度是已知的，并且标识出在金刚石点阵中的NF中心的四个可能的取向方向。

因此，评估装置5可以确定样品2的四个可能的取向方向。由此可能的是，在测量运行中，与取向方向正交地选择交变磁场。

在图11中，图解说明了用于测量外部磁场的磁场方向的方法的流程图，该方法尤其是可以利用上面所描述的设备1来执行。可选地，首先可以执行对该设备1的刚才所描述的校准。

在方法步骤S1中，现在样品2被引入到外部磁场中，其中样品2具有缺陷和相对应的取向方向。

在方法步骤S2中，产生交变磁场，其中磁场方向可预先规定地并且优选地可变地是可设定的。磁场方向优选地可以至少在一个平面中变化。优选地，磁场方向在所有三个空间维度中是可设定的。

在方法步骤S3中，测量自旋共振效应，所述自旋共振效应由样品2与交变磁场的相互作用造成。尤其是，为此可以检测ODMR谱。

在方法步骤S4中，根据所测量的自旋共振效应，测定外部磁场的磁场方向。为此，考虑交变磁场的磁场方向相对于样品2的取向方向的定向。精确的计算可以包括上面所阐述的步骤。