阅读说明：本技术 测量装置 (Measuring device ) 是由 竹村祐辉 芳井义治 斋藤正树 于 2020-01-15 设计创作，主要内容包括：本发明的测量装置,能够在较短时间内进行利用了基于拉比振荡的电子自旋量子操控的磁场测量或电场测量,该基于拉比振荡的电子自旋量子操控通过微波照射进行；微波生成部(2)生成用于进行基于拉比振荡的电子自旋量子操控的微波,观测系统(11)使用被照射上述微波的电子自旋共振构件确定被测量场的强度；微波生成部(2)具备发射上述微波的线圈部(2a)和与该线圈部(2a)电气上并联配置的追加静电电容部(2b)；而且,追加静电电容部(2b)相对于线圈部(2a)直接配置,或者,配置在与线圈部(2a)电连接的电气元件和线圈部(2a)之间。(The measuring device of the present invention can perform magnetic field measurement or electric field measurement using electron spin quantum steering based on the ratiometric oscillation performed by microwave irradiation in a short time; a microwave generation unit (2) that generates microwaves for performing electron spin quantum steering based on the Laplacian oscillation, and an observation system (11) that determines the intensity of a field to be measured using an electron spin resonance member to which the microwaves are irradiated; the microwave generation unit (2) comprises a coil unit (2a) for emitting the microwave and an additional electrostatic capacitance unit (2b) arranged electrically in parallel with the coil unit (2 a); the additional electrostatic capacity section (2b) is disposed directly on the coil section (2a), or is disposed between an electric element electrically connected to the coil section (2a) and the coil section (2 a).)

测量装置

技术领域

本发明涉及测量装置。

背景技术

在一种磁测量装置中，通过利用了电子自旋共振的光学检测磁共振(ODMR：Optically Detected Magnetic Resonance)进行磁场测量(例如，参照专利文献1)。

在ODMR中，向具有次级(sub-level)能级和光学跃迁能级的电子自旋共振构件照射高频磁场(微波)和光，由此，利用光信号高灵敏度地检测出源于次级间磁共振的占有数的变化等。

例如，在金刚石结构中的氮和晶格缺陷(NVC：Nitrogen Vacancy Center)中，通常，基态电子是在利用绿光被激发后，返回基态时发出红光。另一方面，通过照射2.87GHz左右的高频磁场，该电子从基态中的三个次级中的最低次级(ms＝0)向剩余的高能能级的次级(ms＝±1)跃迁。当该次级(ms＝±1)的电子被绿光激发时，是以无辐射状态返回基态中的次级(ms＝0)，因此，发光量减少。

而且，通过基于被测量磁场的塞曼效应(Zeeman effect)、基于被测量电场的斯塔克效应(Stark effect)，高能能级的次级(ms＝±1)发生变动。由于在与变动后的次级(ms＝±1)对应的微波频率中利用ODMR观测到的荧光量减少，因此，通过测量该荧光量的分布，来确定被测量场的强度。

【现有技术文献】

【专利文献】

专利文献1：日本专利、特开2012-110489号公报

并不限于ODMR，例如，当欲利用如上所述的测量系统，较短时间内进行自旋量子操控时，需要提高微波的强度，其中，该测量系统是通过照射微波进行基于拉比振荡的自旋量子操控(例如，上述的电子自旋的次级间的跃迁)。即，为了缩短磁场的测量时间，需要提高微波的强度，但是，根据上述的磁测量装置，很难提高微波的强度。进而，很难在较短时间内测量磁场等。

发明内容

本发明是鉴于上述问题而完成的，其目的在于得到一种：能够在短时间内进行利用了基于拉比振荡的电子自旋量子操控的磁场测量或电场测量的测量装置，该基于拉比振荡的电子自旋量子操控是通过微波照射进行。

本发明涉及的测量装置，具备：微波生成部，其生成用于进行基于拉比振荡的电子自旋量子操控的微波；观测系统，其使用被照射该微波的电子自旋共振构件确定被测量场的强度。微波生成部具备发射上述微波的线圈部和与该线圈部电气上并联配置的追加静电电容部。而且，追加静电电容部相对于线圈部直接配置，或者，配置在与线圈部电连接的电气元件和线圈部之间。

(发明效果)

根据本发明，能够得到一种：能够在较短时间内进行利用了基于拉比振荡的电子自旋量子操控的磁场测量或电场测量的测量装置，该基于拉比振荡的电子自旋量子操控通过微波照射进行。

附图说明

图1是表示本发明实施方式一涉及的测量装置的构成的图。

图2是对图1所示测量装置中的微波生成部2和高频电源3周边的电路的一例进行说明的框图。

图3A是实施方式一中的微波生成部2的主视图，图3B是实施方式一中的微波生成部2的侧视图。

图4是表示图1所示测量装置中的微波生成部2的等效电路的电路图。

图5是图3A和图3B中所示微波生成部2的展开图。

图6是对基于实施方式一中的微波生成部2的实施例的微波的磁感应强度的增强进行说明的图。

图7是表示实施方式二涉及的测量装置中的微波生成部2的一例的图。

图8是对基于实施方式二中的微波生成部2的实施例的磁感应强度分布进行说明的图。

图9是表示实施方式三涉及的测量装置中的微波生成部2的一例的图。

图10是表示实施方式四涉及的测量装置中的微波生成部2的一例的图。

图11是表示实施方式五涉及的测量装置中的微波生成部2的一例的图(1/2)。

图12是表示实施方式五涉及的测量装置中的微波生成部2的一例的图(2/2)。

(符号说明)

1 电子自旋共振构件

2 微波生成部

2a 线圈部

2b 追加静电电容部

2c 电极片

2e 静电电容元件

11 观测系统

具体实施方式

以下，根据附图对本发明的实施方式进行说明。

【实施方式一】

图1是表示本发明实施方式一涉及的测量装置的构成的图。作为其一例，实施方式一涉及的测量装置，利用光学检测磁共振(Optically Detected Magnetic Resonance)方式对磁场或电场的强度进行测量。图1中所示的测量装置具备电子自旋共振构件1。该电子自旋共振构件1配置在被测量场(被测量磁场或者被测量电场)内。如后面所述，该电子自旋共振构件1在规定的测量序列(measurement sequence)中被实施基于拉比振荡的电子自旋量子操控(electron spin quantum manipulation)。

需要说明的是，被测量场的测量方式并不限定于光学检测磁共振方式，只要是利用基于拉比振荡的电子自旋量子操控，也可以采用其他方式。

另外，在该实施方式中，电子自旋共振构件1是光学检测磁共振方式用的具有NVC的金刚石等的板材，且被固定在支撑板1a上。需要说明的是，光学检测磁共振方式用的电子自旋共振构件1并不限定于具有NVC的金刚石，也可以是具有其他色心(color center)的构件。

图1中所示的测量装置具备微波生成部2和高频电源3。

微波生成部2生成微波，该微波用于对电子自旋共振构件1进行基于拉比振荡的电子自旋量子操控。

在实施方式一中，微波生成部2对电子自旋共振构件1施加微波磁场。微波的频率是根据电子自旋共振构件1的种类而设定。例如，当电子自旋共振构件1为具有NVC的金刚石时，微波生成部2施加2.87GHz左右的微波磁场。高频电源3使微波电流(即，用于生成上述的微波磁场的电流)导通于微波生成部2中。

进而，图1中所示的测量装置作为观测系统11具备照射装置4、受光装置5、运算处理装置6等。观测系统11使用被照射上述微波的电子自旋共振构件1确定被测量场的强度。

照射装置4向电子自旋共振构件1照射光(规定波长的激发光和规定波长的测量光)。受光装置5检测测量光的照射时从电子自旋共振构件1发出的荧光。

运算处理装置6例如具备计算机，并且，通过利用计算机执行程序，作为各种处理部进行工作。在该实施方式中，运算处理装置6作为测量控制部6a和测量对象强度计算部6b进行工作。

测量控制部6a对被测量场进行规定的测量序列，在该测量序列中，控制高频电源3和照射装置4，并确定由受光装置5检测到的荧光的检测光量。例如，照射装置4作为光源具备激光二极管等，受光装置5作为受光元件具备光电二极管等，测量控制部6a根据通过对受光元件的输出信号进行放大等而得到的受光装置5的输出信号确定上述的检测光量。在该实施方式中，作为上述规定的测量序列，可以使用拉姆齐脉冲序列(Ramsey PulseSequence)、自旋回波序列(Spin Echo Sequence)等，但是，并不限于此。

测量对象强度计算部6b按照规定的计算式并根据上述的检测光量计算出被测量场的强度(例如，磁感应强度(magnetic flux density)的振幅)。

图2是对图1所示测量装置中的微波生成部2和高频电源3周边的电路的一例进行说明的框图。

例如，如图2中所示，高频电源3利用传输线路部21电连接在基板31上，微波生成部2安装在基板31上，由此，相对于微波生成部2，高频电源3经由传输线路部21和基板31(即，基板31上的布线图案)向微波生成部2导通微波电流。另外，对于微波生成部2，电气上串联连接有频率调整部22、未图示的阻抗匹配部等。另外，频率调整部22、未图示的阻抗匹配部等安装在基板31上。频率调整部22例如为串联LC电路。

图3A和图3B分别是表示实施方式一涉及的测量装置中的微波生成部2的一例的图。其中，图3A是实施方式一中的微波生成部2的主视图，图3B是实施方式一中的微波生成部2的侧视图。

微波生成部2具备发射微波的大致圆形的线圈部2a和与该线圈部2a电气上并联配置的追加静电电容部2b。

线圈部2a是以夹住电子自旋共振构件1的状态，或者，位于电子自旋共振构件1的一侧的状态，导通隔开规定间隔相互平行的两个电流，从而发射上述的微波。关于线圈部2a，可以是两根线状的线圈，也可以是一个板状的线圈。需要说明的是，即使线圈部2a为板状线圈，通过表皮效应(skin effect)，微波电流是在线圈部2a的端面部分流通，因此，形成两个电流。

在实施方式一中，如图3A和图3B中所示，线圈部2a为一个板状线圈。

另外，在实施方式一中，微波生成部2(线圈部2a)是如图3B中的实线所示那样安装在基板31的端部上。需要说明的是，微波生成部2(线圈部2a)也可以如图3B中的虚线所示那样安装在基板31的端部上。

图4是表示图1所示测量装置中的微波生成部2的等效电路的电路图。

追加静电电容部2b是为了增强微波的输出而设置的部位，如图4中所示，其与线圈部2a并联配置且对线圈部2a附加静电电容。需要说明的是，追加静电电容部2b是有意图地被设置为具有规定的静电电容而非杂散静电电容的部位。

在此，频率调整部22是为了将微波的频率调整为所希望的频率而设置，由此能够抑制源于追加静电电容部2b的微波的频率变化。

追加静电电容部2b相对于线圈部2a直接配置，或者，配置在与线圈部2a电连接的电气元件(上述的频率调整部22、阻抗匹配部等)和线圈部2a之间。

在实施方式一中，追加静电电容部2b相对于线圈部2a直接配置(作为一体，或者相互连接的分体)，且具有从线圈部2a延伸的一对电极片2c。电极片2c具备从线圈部2a的端部沿大致圆周方向延伸规定长度，进而向线圈部2a的外侧大致垂直地弯曲的平板部。追加静电电容部2b的静电电容是根据该平板部的间隙宽度和面积而设定。

进而，如图3A和图3B中所示，微波生成部2具备从线圈部2a的两端延伸的一对连接脚部2d。

图5是图3A和图3B中所示微波生成部2的展开图。例如，如图5中所示，线圈部2a和一对电极片2c(以及一对连接脚部2d)是通过对一块导电板进行成形而得到。

接下来，对实施方式一涉及的测量装置的动作进行说明。

测量控制部6a按照规定的测量序列，进行如下处理。

(a)首先，利用照射装置4向电子自旋共振构件1照射规定波长的激发光，形成电子自旋共振构件1的电子自旋的状态；

(b)然后，利用微波生成部2和高频电源3，向电子自旋共振构件1施加规定时间(timing)和规定时间幅度的脉冲状的微波；

(c)然后，利用照射装置4照射投影测量用的测量光，利用受光装置5接受电子自旋共振构件1发出的荧光并检测其受光光量(检测光量)，并且，由测量对象强度计算部6b根据该检测光量计算被测量场的强度。

在这样的测量序列中，当微波生成部2生成微波时，积蓄在微波生成部2的能量W以以下算式表示。

W＝Wh+We

在此，Wh是积蓄在线圈部2a的磁能，其与线圈部2a的电感L呈比例。另外，We是积蓄在追加静电电容部2b的电能，其与追加静电电容部2b的静电电容C呈比例。

Wh和We是以与微波的频率对应的相互相同的频率且以大致90度的相位差交变，W越大，则微波的强度也越高。因此，通过追加静电电容部2b增强微波的强度。

而且，通过提高微波的强度，能够在短时间内进行电子自旋量子操控，由此，磁场测量或电场测量所需时间也变短。

如上所述，根据上述实施方式一，微波生成部2生成用于进行基于拉比振荡的电子自旋量子操控的微波。观测系统11使用被照射该微波的电子自旋共振构件确定被测量场的强度。微波生成部2具备发射上述微波的线圈部2a和与该线圈部2a电气上并联配置的追加静电电容部2b。而且，追加静电电容部2b相对于线圈部2a直接直接配置，或者，配置在与线圈部2a电连接的电气元件和线圈部2a之间。

由此，微波的输出被增强，因此，能够在较短时间内进行利用了基于拉比振荡的电子自旋量子操控的磁场测量或电场测量，其中，该基于拉比振荡的电子自旋量子操控是通过微波照射进行。

图6是对基于实施方式一中的微波生成部2的实施例的微波的磁感应强度的增强进行说明的图。图6中示出的是：线圈部2a的半径为2.0㎜，线圈部2a的宽度(板状线圈的宽度)为1.5㎜，且利用频率调整部22欲使微波频率接近2.85GHz时的模拟结果。例如，如图6中所示，与未设置追加静电电容部2b时相比，通过追加静电电容部2b增加了线圈部2a的平均磁感应强度。需要说明的是，被标准化的平均磁感应强度，是利用反射损耗将平均磁感应强度标准化后的强度。

【实施方式二】

图7是表示实施方式二涉及的测量装置中的微波生成部2的一例的图。在实施方式二中，追加静电电容部2b具备电连接在线圈部2a的静电电容元件2e。静电电容元件2e例如是小型的片形电容器，静电电容元件2e的两个端子以电气和机械方式连接在从线圈部2a的端部沿大致圆周方向延伸的一对端子片2f上。

需要说明的是，关于实施方式二涉及的测量装置的其他构成及动作与实施方式一相同，因此，省略其说明。

图8是对基于实施方式二中的微波生成部2的实施例的磁感应强度分布进行说明的图。图8中示出磁感应强度分布的模拟结果。如图8中所示，通过端子片2f，圆形的线圈部2a端部的间隙2g变狭窄，且沿圆周方向的磁感应强度的分布被均匀化。

【实施方式三】

图9是表示实施方式三涉及的测量装置中的微波生成部2的一例的图。在实施方式三中，线圈部2a具备两根线状的线圈。需要说明的是，在实施方式三中，相对于线圈部2a中的两根线状的线圈具备共用的(一个)追加静电电容部2b，但是，也可以构成为：相对于线圈部2a中的两根线状的线圈分别具备(即，两个)追加静电电容部2b。

需要说明的是，关于实施方式三涉及的测量装置的其他构成及动作与实施方式一相同，因此，省略其说明。另外，在实施方式三中，也可以使追加静电电容部2b构成为与实施方式二相同。

【实施方式四】

图10是表示实施方式四涉及的测量装置中的微波生成部2的一例的图。在实施方式四中，线圈部2a在具有规定厚度的基板31的表面和背面上形成为相互平行的两个布线图案(金属图案)2-1、2-2。另外，基板31上设有贯通线圈部2a中心的贯通孔31a。需要说明的是，当基板31为多层基板时，也可以构成为：线圈部2a在多层基板中的相互不同的层中形成为相互平行的两个布线图案(金属图案)。在图10中，未图示追加静电电容部2b，但也同样地设置有追加静电电容部2b。例如，在基板31上安装与静电电容元件2e相同的静电电容元件，且与线圈部2a电连接。

需要说明的是，关于实施方式四涉及的测量装置的其他构成及动作与实施方式一或二相同，因此，省略其说明。

【实施方式五】

图11和图12分别是表示实施方式五涉及的测量装置中的微波生成部2的一例的图。在实施方式五中，在具有规定厚度的基板31上设有贯通孔31a，作为板状线圈的线圈部2a配置在贯通孔31a内。在图11所示的例子中，贯通孔31a形成为圆筒状，线圈部2a接触贯通孔31a的内壁。在图12所示的例子中，贯通孔31a形成为四方形筒状，线圈部2a不与贯通孔31a的内壁接触。在图11和图12中，未图示追加静电电容部2b，但也同样地设置有追加静电电容部2b。

需要说明的是，关于实施方式五涉及的测量装置的其他构成及动作与实施方式一或二相同，因此，省略其说明。

需要说明的是，关于上述实施方式，也可以在不脱离其主题的主旨和范围且不减弱其所意图的优点的范围内进行各种变更和修改，由于这些变更和修改对于本领域技术人员而言是显而易见的，因此，这些变更和修改，也应该包含在本申请权利要求的保护范围内。

例如，在上述实施方式中，作为追加静电电容部2b的静电电容元件2e，也可以安装在基板31上(即，基板31的布线图案)。

另外，在上述实施方式中，测量对象强度计算部6b作为其一例，确定被测量场的磁场强度，但是，也可以确定被测量场的电场强度。

(产业上的可利用性)

本发明可以应用于例如利用光学检测磁共振的测量装置中。