超高灵敏度固态自旋共振磁信息精密测量系统研究

The precision measurement system in weak magnetic detection which is of huge application and significance in science is very important to understand magnetic properties and to develop quantum devices. The weak magnetic detection using solid phase is a significant method for weak magnetic field measurement induced by the spin resonance. However, the relative low sensitivity, the limited application and the results unable to observation directly become serious in current usage. The purpose of this research is to put forward a novel precision magnetic measurement system in solid phase, aiming at improving the sensitivity, resolution and applicability of the equipment in detection. Objective of this research is to setup the precision magnetic measurement system in weak magnetic field detection and magnetic information measurement and imaging of sample with super high sensitivity combined the light waveguide effect and atomic force microscopy using single nitrogen vacancy center diamond cantilever. By clarifying the properties of surface spin information and further understanding the magnetic phenomenon with super high sensitivity, we can develop a new generation novel spin gyroscope, atom clock, etc. which can replace the traditional electric components. This achievement is crucial for understanding the properties of atomic/molecular precision control, electron spin measurement, and the progress of the related magnetic fields. It also can promote the development of the spintronic devices and the high information society.

微弱磁信息的精密测量系统对磁性质的理解和量子元件的研制极为重要，具有极其巨大的潜在应用和科学意义。当前应用固态相位的微弱磁信息检测是测量自旋引起的微弱磁场的一种重要手段，但是它也存在着灵敏度不高、适用性不广以及不能直观检测等缺点。本研究的目的是提出一种新型的固态微弱磁信息精密测量系统，它结合了固态磁强计和磁交换力显微镜的优点，能提高磁信息检测灵敏度、分辨率和适用性。研究目标是搭建具有超高灵敏度的微弱磁场、磁信息检测与成像的精密测量系统，制备单一氮空位中心的金刚石探针与光波导和电子自旋共振检测系统兼容。通过本研究，可以更深入揭示微弱磁信息的性质、理解纳米结构的磁作用和磁现象，为新一代原子陀螺导航、原子钟守时授时、自旋开关、自旋读出、录入等系统的研究提供有力的实验手段；对原子分子精密控制、基本电子自旋测量、量子元件的发展有很大的意义，是磁性相关科学领域、高度信息化社会不可缺少的测量技术。

深入揭示微弱磁信息的性质、理解纳米结构的磁作用和磁现象，为新一代原子陀螺导航、原子钟守时授时、自旋开关、自旋读出、录入等系统的研究提供有力的实验手段；对原子分子精密控制、基本电子自旋测量、量子元件的发展有很大的意义，是磁性相关科学领域、高度信息化社会不可缺少的测量技术。. 针对当前利用固态电子自旋检测微弱磁场信息的研究热点，我们结合了固态磁强计和磁交换力显微镜的优点搭建具有超高灵敏度的微弱磁场、磁信息检测与成像的精密测量系统，提高磁信息检测灵敏度、分辨率和适用性。提出了磁检测、精密测量系统原理、方案论证，理论、仿真得到了微弱磁场及磁信息的测定条件；理论上，设计了新型高弹性系数探针，建立了探针的噪声模型得到了探针弹性系数、频率、表面蒸镀磁性材料性质与测量系统噪声的关系，并从实验上得到了验证；制备单一氮空位中心的金刚石探针与光波导和电子自旋共振检测系统兼容。实现对微弱磁信息的放大，并运用多种手段对噪声进行压缩，突破传统量子极限的测量，提升其分辨率；成功的实现了利用微波照射探针的铁磁共振实验，实现了磁信息的高灵敏度测量，并成功分离磁物质表面的晶格空间信息和磁信息；已完成搭建固态电子（原子核）自旋共振磁检测精密测量系统，在此基础上，利用已搭建的系统成功得到了原子尺度NiO(001)材料的表面信息、表面电子信息以及自旋信息等。. 已发表论文15篇，其中SCI索引10篇，申请国家专利3项（已受理），联合培养博士生两名，指导硕士研究生七名(已毕业三名)。作为协办单位在大阪与日本JSPS联合举办国际会议一次,主要负责人李艳君、马宗敏等参加国际会议及交流8人次。