1、XX大学毕业设计(论文) 题 目: 基于色心金刚石的均匀微波磁场谐振器 的研究 学 院: 测试与光电工程学院 专 业: 测控技术与仪器 姓 名: 学 号: 指导教师: 二Oxx年六月基于色心金刚石的均匀微波磁场谐振器的研究摘要：金刚石中的杂质氮空位中心（简称NV色心）由一个取代碳的氮原子和相邻的一个碳空位组成，它的带电状态是一个负电荷，当吸收一定的微波，会发出荧光，是很好的单光子源，它的基态三重态在零磁场下自然劈裂成能级差为2.87GHz的自旋为0和自旋为1的两个能级。基于金刚石中NV色心系综电子自旋操控和氮原子核自旋操控的研究需求，需要对金刚石内部的NV色心辐射中心频率为2.87GHz的微波
2、，使它的基态三重态发生分裂同时为了更容易的实现自旋操控的组合操控方式。氮原子与NV色心电子产生超精细作用的自旋态能量间隙在MHZ量级，这就要求微波天线需要150MHz左右的带宽，从而能够通过天线在合适的功率下实现最高效率和最高拉比振荡频率的操控氮原子核自旋。对于以NV色心系综为敏感的惯性测量与磁场测量，为了得到有效的测量信号应尽量使系综中各单一自旋受到相同程度的极化与操控，因此要求微波天线在金刚石样品敏感区域内产生均与的微波场，主要包括微波场幅度的均匀性和微波能量传输效率的均匀性。针对实际应用中可能遇到的问题应当考虑微波天线的能量辐射效率，这一点要求微波天线的中心频率较准确的定位在2.87GH
3、z，并且要求天线面积与金刚石样品尺寸差距尽量小以及金刚石样品距离天线尽可能近。另外考虑到实验系统的搭建，最初采用国际通用的单根导线的辐射形式以方便系统的搭建和实验效果的验证。在实现电子自旋和氮原子核自旋的微波操控实验基础之后，将尝试设计多种形式的微波天线来提高微波辐射效率，并同时保证金刚石位置的水平与固定，以及能够平稳的放置在位移平台上，并且要求微波天线能与微波源和微波放大器良好的耦合。关键字：NV色心金刚石 电子自旋操控 氮原子自旋操控 微波 中心频率The study on the resonator with uniform microwave field based the color
4、 center diamond Abstract:Diamond in the nitrogen vacancy Center (NV Center) a carbon vacancy by a substitution of nitrogen atoms and adjacent carbon composition, with a negative charge of the NV center is the single photon source is very good, its ground state triplet splitting into three natural en
5、ergy difference of spin 2.87GHz 0 and spin two level 1 under zero magnetic field. Study on demand NV center in diamond ensemble of spin manipulation and nitrogen nuclear spin manipulation based on need, diamond radiation center frequency of the microwave signal 2.87GHz to realize the electronic grou
6、nd state splitting. At the same time in order to realize the combination of control spin manipulation easier. The nitrogen atoms and NV produce hyperfine interaction center electron spin state energy gap in the order of MHZ, which requires the microwave antenna need about 150MHz bandwidth control, t
7、he nitrogen nuclei thus can realize the maximum efficiency and maximum Rabi oscillation frequency at the right power by self rotating antenna.The NV Center for ensemble inertial measurement and measurement of magnetic field sensitive, in order to get the measurement signal effectively should try to
8、make the single spin ensemble by polarization and manipulation of the same degree, so the microwave antennas are produced with the microwave field in diamond samples sensitive region, including microwave field amplitude and uniformity of the microwave energy transmission efficiency uniformity.The en
9、ergy efficiency of radiation should be considered for the microwave antenna may encounter problems in practical applications, the center frequency requirements of microwave antenna accurately positioning in 2.87GHz, and the antenna area and sample size as small as possible the gap between diamond an
10、d diamond samples from the antenna as close as possible. Considering the experiment, verify the effect and built the experimental form of radiation initially using single conductor to facilitate international system. After. After microwave controlled experiments based electron spin and nitrogen nucl
11、ear spin, will try to design various forms of microwave antenna to improve microwave radiation efficiency, and at the same time to ensure the position of the diamond level and fixed, and can be smoothly placed on the displacement platform, which is convenient for antenna and microwave source and mic
12、rowave amplifier.Keywords:NV-color-center-diamond electron-spin-manipulation nitrogen-spin manipulation microwave center frequency目 录1 引言1.1 选题的依据及意义（1）1.2 国内外研究现状（2）1.3 研究内容及要求（5）2 NV色心的基本性质及应用2.1 NV的几何结构（6）2.2 NV的荧光光谱（6）2.3 应用（8）3 实验系统的介绍3.1 实验系统图（9）3.2 光学部分设计原理图（9）4 HFSS软件使用简介4.1 HFSS简介(10）4.2 HF
13、SS设计流程（11）5 微波谐振器的设计及HFSS仿真5.1 微波理论介绍（12）5.1.1 天线基本原理（12）5.1.2 天线性能参数（14）5.2 微波天线的设计（15）5.2.1 侧馈微带天线（15）5.2.2 HFSS设计（18）5.2.3 HFSS仿真（21）6 结论及展望6.1 结论（31）6.2 展望（31）参考文献（33）致 谢（35）基于色心金刚石的微波磁场谐振器的研究1 引言本文系统的研究了基于色心金刚石的微波场谐振器，设计微波场谐振器以实现对色心金刚石中NV基态能级分裂，并且接下来对NV色心金刚石进行自旋极化，自旋操控，自旋检测。第一章主要粗略讲述微波场的研究对于实现色
14、心金刚石的广泛应用的意义，国内外的研究现状以及微波场研究的方法。第二章简单介绍了NV色心金刚石所具有的特性。第三章用图简单介绍了我们的实验系统构造，并给出了实验系统图。第四章简单介绍了研究微波场所用的一款软件HFSS和它的设计流程,为后面的微波场设计提供了设计原则。第五章详细介绍了微波天线的设计，包括3D模型的构建，求解设置，仿真结果的分析以及金刚石表面的微波场的分析。第六章得出结论并对以后的研究给出自己的看法。1.1 选题的依据及意义将待测物原子、分子自旋所产生的弱磁场作为检测对象的生物成像技术，因具有超高测量灵敏度和机体无损检测的特点，在医疗检测领域存在着巨大的应用前景。但现有的生物成像技
15、术在检测过程中，只能检测到几微米甚至几百微米量级的大小，这一空间分辨率针对大多数几微米至几十微米的细胞来说，在检测中会相当模糊甚至无法观察到。在此背景下，金刚石内嵌负价氮原子-空位（negatively charged nitrogen-vacancy，NV）色心，成为生物成像检测领域新的研究热点。因为该物质对弱磁场具有极强敏感能力，因此可实现超高空间分辨率的磁场测量。自然杂志在2014年2月的“特别报道”中，针对该研究在未来传感检测技术领域的引领作用给予了肯定1。根据NV色心金刚石磁场传感的机理，其理论灵敏度可以达到亚fT/Hz1/2量级，空间分辨率可以达到亚nm量级，同时具有启动速度快、测量速度快、超小型、低成本、长寿命及可常温检测等优点。因此，该技术的研究研究意义重大、应用前景乐观。自从1997年实现了对带单个负电荷的N原子空缺（NV）色心的检测2以来，NV研究领域快速扩展，目前NV色心体系被广泛用于量子计算、量子存储、量子传感等领域的研究3,4，这些领域基本处于原理研究和实
