Close

Квантовая волоконно-оптическая сенсорика

Дистанционное измерение различных физических величин является одной из принципиальных научных и технологических задач. Совершенствование сенсоров и сопутствующих методик развивается в направлении увеличения точности, расширения диапазонов измеряемых параметров и пространственных масштабов исследуемых объектов, и современная оптика играет в этом отношении все более заметную роль. Одним из перспективных направлений в этой области является развитие волоконно-оптических датчиков, которые позволяют измерять разнообразные физические величины – скорость, температуру, электрическое поле,  химический состав и многое другое с высокой точностью в эндоскопическом режиме.

С другой стороны, развитие квантовых методик и устройств является одной из наиболее интригующих тенденций современных наукоемких технологий. В этой связи очень перспективным является использование  микро- и наночастиц алмаза с центрами окраски (азото-замещёнными вакансиями (NV-центрами). Отрицательно заряженные NV-центры обладают высокой фотостабильностью, сильными оптическими переходами и являются уникальной квантовой системой с возможностями управления электронным спиновым состоянием NV-центра с помощью микроволнового излучения и, что очень важно, позволяют реализовать оптическую инициализации этих состояний при комнатной температуре. В настоящее время эти объекты, наряду с наночастицами алмаза с Ge и Si центрами окраски, рассматриваются в качестве одного из кандидатов для практической реализации различных устройств квантовой оптики и информатики.

Сопряжение уникальных физических свойств нано- и микрочастиц алмаза с центрами окраски в качестве квантового сенсора с волоконно-оптическими световодами могло бы позволить расширить их научный и технологический потенциал для целей измерения различных физических параметров. Это направление является одной из активно развиваемых тематик в нашей группе (лаб. 312 МГУ и ККЦ КНИТУ КАИ).

Физический  принцип работы квантового сенсора на основе микрочастиц  алмаза с NV-центрами заключаются в возможности оптической регистрации изменения интенсивности  флуоресценции от этих центров, возбуждаемой лазерным  излучением накачки. Интенсивность флуоресценции IPL зависит от состояния основного уровня отрицательного NV-центра в алмазе, которое изменяется при сканировании частоты микроволнового СВЧ-поля в области магнитного (спинового) резонанса.  Лазерное излучение накачки переводит  основное  состояние 3А NV-центра в  возбужденное состояние 3Е. Возбуждение этого состояния снимается обратно на основной уровень 3А с магнитным (спиновым) квантовым числом  ms = 0 в виде излучения флуоресценции, что проявляется в виде характерной  «бесфоннонной» линии на длине волны 637 нм (при комнатной температуре). Однако, из-за уширения верхних уровней, обусловленного взаимодействием с кристаллической решеткой, флуоресценция излучается в широкой полосе длин волн, простирающейся от 630 нм до 800 нм (при этом пик «бесфоннонной» линии обычно бывает легко различим на фоне этой полосы). В отсутствии внешнего магнитного поля основное триплетное состояние NV-центра с магнитными (спиновыми) квантовыми числами ms = 0, ±1 расщеплено на величину Ws = 2.87 ГГц.  Для NV-центров, возбуждаемых из состояния ms = ±1, выход излучения флуоресценции меньше, чем в случае возбуждения из состояния с ms = 0. Это происходит из-за того, что в первом случае (возбуждение из состояния с ms = ±1) релаксация из  3Е  в состояние 3А с ms=0 происходит через метастабильный уровень  1А, которое не дает вклад в фотолюминсценцию. Таким образом,  интенсивность фотолюминесценции  IPL уменьшается в случае, если система возбуждается из состояния с  ms = ±1.  Этим процессом можно управлять за счет приложения и модуляции микроволнового излучения, подаваемого  через интегрированную с оптическим волокном СВЧ  линию. Микроволновое поле сканируется  в области частоты магнитного резонанса  Ws= 2.87 ГГц,  которое поляризует (возбуждает) основной триплетный уровень  NV-центров из состояния с  ms = 0 в состояние с m= ±1. Этот эффект наблюдается в виде хорошо наблюдаемого изменения интенсивности фотолюминесценции зависимости от частоты модулирующего микроволнового поля. Даже в отсутствии внешнего магнитного поля локальное напряжение решетки алмаза приводит к снятию вырождения состояния m= ±1, что проявляется в наличии двух хорошо заметных пиков.

Схема электронных уровней и спектр флуоресценции NV-центра.

Присутствие внешнего магнитного поля приводит к сильному изменению формы резонансной кривой и появлению нескольких пиков, и на этом эффекте основан принцип работы детектора магнитного поля. Изменение температуры измеряемых объектов и соответственно микрочастицы алмаза приводит не к изменению формы, а к сдвигу резонансной кривой. При этом при возрастании температуры профиль сдвигается в сторону меньших частот, что происходит из-за температурного изменения состояния решетки алмаза. Указанные физические принципы обеспечивает возможность проведения оптических измерений магнитного поля и температуры с помощью оптического световода, совмещенного с СВЧ-линией и квантового сенсора на основе отрицательных NV-центров в микро- и наночастицах алмаза.

Изменение  формы спиновой резонансной кривой  флуоресценции NV-центра в присутствии магнитного поля (слева). Сдвиг центральной частоты магнитного резонанса от мощности излучения, изменяющего температуру образца (cправа). 

В соответствии с этим принципами нами был реализован компактный оптоволоконного квантовый зонд с каналом доставки СВЧ-излучения, позволяющий обеспечить измерения температуры и магнитного поля с высоким пространственным разрешением и высокой точностью. В качестве квантовых сенсоров использовались искусственные монокристаллы алмаза с центрами окраски (отрицательно заряженными NV-центрами). Центры окраски образовывались в процессе облучения микрокристаллов алмаза высокоэнергетичными (МэВ) электронами с последующим высокотемпературным  отжигом. В результате данного  технологического процесса  достигалась плотность NV-центров порядка 1016см-3. Были использованы монокристаллы алмаза с диаметрами от нескольких десятков до нескольких сотен микрометров, которые позиционировались на торце оптического волокна в области его световодной сердцевины. Принципиальные особенности схемы представлены на рисунке. Лазерное излучение накачки от источника на длине волны 532 нм (1) заводится  в оптический/СВЧ (зонд) (2), содержащий оптическое волокно (3) и сопряженную с ним двухпроводную СВЧ волноводную линию (4) с источником  (5). На торце волокна (3) закреплена алмазная частица с NV-центрами (6). Оптический световод (2) доставляет сигнал флуоресценции в обратном направлении в устройство регистрации (7).  Устройство оптической регистрации (7) и источник СВЧ поля (5) сопряжены и управляются компьютером (8).

Схема сенсорного устройства с изображением оптического/СВЧ зонда.

Создание компактного и технологичного интерфейса, содержащего световодные и СВЧ каналы, позволяет существенно расширить области применения зонда, для  локальных измерений температуры и магнитного поля, в том числе и труднодоступных местах. На начальных этапах работ использовалась СВЧ-линия с двумя медными цилиндрическими проводниками, закрепляемыми вдоль оптического волокна и изгибаемого на его конце для концентрации магнитного поля в области нахождения микрочастицы алмаза. Более технологичным вариантом является формирование двухпроводная металлическая СВЧ-линии методом лазерной фотолитографии, который является предпочтительным для изготовления тонких металлических полос на стеклянной поверхности оптоволокна.

Схемы зондов с доставкой СВЧ поля при помощи (а) коаксиальной двухпроводной линии из проводов; (б) напыленной металлической линии.

Другим направлением технического совершенствования зонда является использование микроструктурированных (МС) оптических волокон. Специальные архитектуры оболочки могут обеспечить высокую числовую апертуру волоконного сенсора и большую эффективность сбора рассеянного сигнала флуоресценции. Применение многоканального оптического волокна обеспечивает возможность размещения на торце волокна более одного микро- или нанокристалла алмаза, что принципиально позволяет проводить измерение магнитного поля и температуры в нескольких точках одновременно и обеспечивает построение двумерных карт распределения магнитного поля и/или температуры без сканирования зонда.

В лаб. 312 МГУ проводятся эксперименты по применения зондов в задачах опто- и термогенетики. Зонд вживляется или позиционируется в мозге лабораторного животного. Тестовые измерения на живых животных показали работоспособность разработанного зонда, значительно расширяющего инструменты нейробиологических исследований. Показана возможность измерений температуры в мозге живой мыши с точностью не хуже 0,1 К и пространственным разрешением порядка 30 мкм, соответствующего размеру микрочастицы алмаза. В экспериментальных исследованиях была также показана возможность измерения магнитного поля с пространственным разрешением менее 30 мкм и чувствительностью не хуже 10 нТ/Гц1/2.

Измерений температуры и магнитного поля в мозге зафиксированного под микроскопом животного in-vivo с помощью оптоволоконного квантового сенсора.

Полученные результаты обеспечивают базу для создания высокоэффективного сверхкомпактного квантового сенсора на основе микро- и наночастиц алмаза с азото-замещёнными вакансиями и оптического световода с интегрированной на его поверхности СВЧ-линией для локальной эндоскопометрии температуры и магнитного поля. Возможные области применения разработанного оптомикроволноводного зонда простираются от задач квантовой физики до in vivo биовизуализации. Применение новых типов квантовых сенсоров на основе  Ge и Si центров окраски позволяет проводить измерения без использования микроволнового поля, что позволяет говорить о еще более серьезном повышении технологичности разрабатываемых сенсоров.