阅读说明：本技术 一种基于金刚石nv色心的超导检测装置 (Superconducting detection device based on diamond NV color center ) 是由 韩永昊 杨磊 赵琳 刘浩 蒋大伟 高春晓 于 2019-09-20 设计创作，主要内容包括：本发明的一种基于金刚石NV色心的超导检测装置属于超导检测技术领域。其结构有：第一金刚石NV色心(1)、第二金刚石NV色心(2)、聚焦镜头(3)、第一反射镜(4)、滤波镜片(5)、准直透镜(6)、光谱仪(7)、光电探测器(8)、信号采集器(9)、微波发生器(10)、功率放大器(11)、铜线(12)、石英玻璃(13)、磁场产生装置(14)、第二反射镜(15)、扩束透镜(16)、激光器(17)。本发明简化了传统探测迈斯纳效应所需的线圈装置,结构简单,灵敏度更高,可操作性更强。(The invention discloses a superconducting detection device based on a diamond NV color center, and belongs to the technical field of superconducting detection. The structure is as follows: the device comprises a first diamond NV color center (1), a second diamond NV color center (2), a focusing lens (3), a first reflecting mirror (4), a filtering lens (5), a collimating lens (6), a spectrometer (7), a photoelectric detector (8), a signal collector (9), a microwave generator (10), a power amplifier (11), a copper wire (12), quartz glass (13), a magnetic field generating device (14), a second reflecting mirror (15), a beam expanding lens (16) and a laser (17). The invention simplifies the coil device required by the traditional detection of the Meissner effect, and has simple structure, higher sensitivity and stronger operability.)

一种基于金刚石NV色心的超导检测装置

技术领域

本发明属于超导检测技术领域，具体涉及一种基于金刚石NV色心的超导检测装置。

背景技术

随着高压与低温技术的不断进步，人们正逐渐接近室温超导的终极目标。超导材料和超导技术在国防、科研、工业以及人类生活等众多方面都有着广阔的应用前景和应用价值，而室温超导的实现必将极大促进以超高速计算机、数据传输为代表的系列新技术的革新。因而，这也对科研从业者科研敏锐性及超导检测的技术手段提出了更高的要求。超导及超导材料仍将是近一段时间凝聚态物理学的研究热点。

金刚石NV色心作为一种灵敏度高的元件，在微位移测量、生物活体成像、量子计算、弱磁场检测以及其延伸到的超导检测等领域具有极高的应用价值。目前，金刚石NV色心的制备技术已经成熟，但基于该物质实现超导检测的实验手段却鲜有提及。

在金刚石NV色心的已知能级中，它的基态³A₂是由电子自旋m_s＝0和±1次能级构成的三重简并态。当电子由³E激发态退激发到³A₂基态时，会辐射能量E＝1.945eV的光子，发出波长λ＝637nm的荧光。

金刚石NV色心在波长为532nm的激光辐照的同时引入频率范围为2.5～3GHz的微波场，在2.87GHz左右，m_s＝0和±1次能级之间会形成磁偶极子震荡，而在电子由激发态退激发到基态的过程中，会有部分能量以非辐射跃迁的形式释放，导致此时的荧光强度相比于没有引入微波场的时候低。因而形成对应于m_s＝±1电子自旋共振吸收峰，即金刚石NV色心的光探测磁共振。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种基于金刚石NV色心实现超导检测的装置，通过对其荧光及ODMR谱信号的采集及记录，实现超导检测的目的。

本发明的技术方案如下：

一种基于金刚石NV色心的超导检测装置，其结构有：聚焦镜头3、第一反射镜4、滤波镜片5、准直透镜6、光谱仪7、光电探测器8、信号采集器9、微波发生器10、功率放大器11、铜线12、石英玻璃13、磁场产生装置14、第二反射镜15、扩束透镜16、激光器17；其特征在于，结构还有第一金刚石NV色心1、第二金刚石NV色心2；

其中，扩束透镜16、第二反射镜15、第一反射镜4、聚焦镜头3是沿激光器17发出的光的光路顺序排列的，第一反射镜4和第二反射镜15保持平行，第一金刚石NV色心1和第二金刚石NV色心2位于聚焦镜头3的焦平面上，且能够通过移动石英玻璃13使任意一个金刚石NV色心位于聚焦镜头3的焦点上，位于焦点上的金刚石NV色心将聚焦镜头3入射的光反射后形成的光路上顺序排列聚焦镜头3、滤波镜片5、准直透镜6、光谱仪7和光电探测器8、光电探测器8的输出端与信号采集器9的输入端相连；微波发生器10的输出端与功率放大器11的输入端相连，铜线12的一端与功率放大器11的输出端相连，另一端接地，铜线14贴附于石英玻璃13上，第一金刚石NV色心1与第二金刚石NV色心2之间的间隙至少10mm且固定于石英玻璃13上与铜线14接触，磁场产生装置14与石英玻璃13平行放置。

超导现象的发生通常伴随着的特征性标志之一是迈斯纳效应，迈斯纳效应是指当超导现象发生后，样品内的磁通量将全部被排出体外，磁感应强度恒为零，迈斯纳效应也称完全抗磁性。理论上，金刚石NV色心可以检测到0.1μT的磁场变化。利用本发明的装置进行超导检测时，将超导材料放置在一个金刚石NV色心旁边，由金刚石NV色心检测到超导现象发生时超导材料附近磁场的变化，进而实现对超导的检测。

有益效果：

1、简化了传统探测迈斯纳效应所需的线圈装置，结构简单。

2、相比于现有技术，本发明检测的灵敏度更高，可操作性更强。

附图说明：

图1是基于金刚石NV色心实现超导检测的装置结构图。

图2是零磁场时金刚石NV色心的ODMR谱。

图3是一定磁场条件下金刚石NV色心的ODMR谱。

图4是超导现象出现时金刚石NV色心的ODMR谱所反映出的突变。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施进行详细说明。

实施例1本发明的总体结构

本发明的一种基于金刚石NV色心的超导检测装置的结构如图1所示，具体包括第一金刚石NV色心1、第二金刚石NV色心2、聚焦镜头3、第一反射镜4、滤波镜片5、准直透镜6、光谱仪7、光电探测器8、信号采集器9、微波发生器10、功率放大器11、铜线12、石英玻璃13、磁场产生装置14、第二反射镜15、扩束透镜16、激光器17。

其中，扩束透镜16、第二反射镜15、第一反射镜4、聚焦镜头3是沿激光器17发出的光的光路顺序排列的，用以实现激光的产生、传输和对焦，第一反射镜4和第二反射镜15保持平行，第一反射镜4在金刚石NV色心荧光信号采集前移除或镜片倒置以使其不阻挡荧光信号的光路。

第一金刚石NV色心1和第二金刚石NV色心2固定在石英玻璃13上且位于聚焦镜头3的焦平面上，第一金刚石NV色心1与第二金刚石NV色心2之间的间隙大于或等于10mm，通过移动石英玻璃13能够使任意一个金刚石NV色心位于聚焦镜头3的焦点上，位于焦点上的金刚石NV色心将聚焦镜头3入射的光反射后形成的光路上顺序排列聚焦镜头3、滤波镜片5、准直透镜6、光谱仪7和光电探测器8，上述装置用于荧光的产生和传输。信号采集器9的输入端与光电探测器8的输出端相连，用于采集荧光及ODMR谱。

微波发生器10的输出端与功率放大器11的输入端相连，将一条SMA端口连接线的一端连接至功率放大器11的输出端，另一端剪断，露出屏蔽层和线芯，用焊锡将线芯与铜线14的一端焊接在一起，将屏蔽层(相当于电气“地”)与铜线14的另一端焊接在一起，并在每个衔接处涂上一层黑胶，直至黑胶完全***。将铜线14固定在石英玻璃13上，且与第一金刚石NV色心1、第二金刚石NV色心2均接触，上述器件构成ODMR谱发生装置。

磁场产生装置14与石英玻璃13平行放置。用于产生磁场，在系统工作过程中，设置好磁场值后，磁场产生装置的位置不再改变。

实施例2用本发明进行超导检测过程

将待检测的样品放置于第一金刚石NV色心1处，启动激光器17和微波发生器10，并调整石英玻璃13依次使第一金刚石NV色心1和第二金刚石NV色心2处于聚集镜头3的焦点上，激光器17产生的激光经扩束透镜16、第二反射镜15、第一反射镜4、聚焦镜头3入射到第一金刚石NV色心1，第一金刚石NV色心1发射出的荧光依次经聚焦镜头3、滤波透镜5、准直透镜6后进入光谱仪7，再由光电探测器8转换成电信号并由信号采集器9完成信号采集，由LabVIEW基于金刚石NV色心的荧光采集的零磁场的ODMR谱如图2所示。由于在m_s＝0和±1次能级之间形成磁偶极子震荡，因而出现了对应于m_s＝±1电子自旋共振吸收峰。启动磁场产生装置14，磁场条件下的ODMR谱如图3所示。磁场条件下，由于塞曼效应，m_s＝±1的电子会进一步劈裂。启动待测样品的低温控制器并逐渐降低温度，当温度降温到超导材料的临界温度时，ODMR谱如图4所示，相比于第二金刚石NV色心2的ODMR谱，放置了超导体材料的第一金刚石NV色心1处的谱图有明显的吸收峰的衰减或增强，即突变，视金刚石NV色心相对于超导体的相对位置决定，即可证明待测样品出现了超导现象。其中，没有放置超导体材料的金刚石NV色心作为参考的标准。

以上是该测量方法的实现方案，但本发明并不局限于此。任何以本方法为基础解决基本相同的问题或技术效果，所做出的简单变化、修饰均在本发明的保护范围之内。