WO2024203140A1 - Magnetic detector - Google Patents

Abstract

A magnetic detector (1) comprises: a diamond substrate (10) having an NV center (11); a transparent first substrate (13) on which the diamond substrate is disposed; a radiating body (24) provided on a surface of the first substrate (13) or on the surface of the diamond substrate (10) that is opposite from the surface on which the NV center (11) is provided; and a second substrate (15) which has an opening (16) and on which the first substrate (13) is disposed. The diamond substrate (10) is at least partially exposed through the opening (16).

Description

Translated fromJapanese

磁気検出器Magnetic detector

　本開示は、磁気検出器に関する。This disclosure relates to a magnetic detector.

　特許文献１には、ＮＶセンタを有するダイヤモンドと、その表面に形成されたループ状の導体からなるアンテナを含む磁界を計測するセンサが開示されている。特許文献１に記載の技術では、センサのアンテナ形成面の反対面から、ＮＶセンタへの励起光とその蛍光の入出力が行われる。Patent Document 1 discloses a sensor that measures magnetic fields and includes a diamond having an NV center and an antenna made of a loop-shaped conductor formed on its surface. In the technology described inPatent Document 1, excitation light and its fluorescence are input and output to the NV center from the surface of the sensor opposite the surface on which the antenna is formed.

特開２０２１－１６５６７０号公報JP 2021-165670 A

　１つの態様に係る磁気検出器は、ＮＶセンタを有するダイヤモンド基板と、前記ダイヤモンド基板が配置された、透明な第１基板と、前記第１基板の面、又は、前記ダイヤモンド基板のＮＶセンタが形成された面と反対側を向いた面に形成された放射体と、開口を有し、前記第１基板が配置された第２基板と、を備え、前記ダイヤモンド基板は、少なくとも一部が前記開口から露出する。In one embodiment, the magnetic detector comprises a diamond substrate having an NV center, a transparent first substrate on which the diamond substrate is disposed, an emitter formed on a surface of the first substrate or on a surface of the diamond substrate facing opposite to the surface on which the NV center is formed, and a second substrate having an opening and on which the first substrate is disposed, with at least a portion of the diamond substrate exposed from the opening.

図１は、第１実施形態に係る磁気検出器の一例を説明する概略図である。FIG. 1 is a schematic diagram illustrating an example of a magnetic detector according to a first embodiment.図２は、磁気検出器が配置された基板の一例を説明する概略図である。FIG. 2 is a schematic diagram illustrating an example of a substrate on which a magnetic detector is arranged.図３－１は、放射体の一例を説明する概略図である。FIG. 3A is a schematic diagram illustrating an example of a radiator.図３－２は、放射体の部分拡大図である。FIG. 3-2 is a partially enlarged view of the radiator.図４は、ループアンテナのＳ_１１反射特性を示す図である。FIG. 4 is a diagram showing the_S11 reflection characteristic of a loop antenna.図５は、第２実施形態に係る磁気検出器の一例を説明する概略図である。FIG. 5 is a schematic diagram illustrating an example of a magnetic detector according to the second embodiment.図６は、第３実施形態に係る磁気検出器の一例を説明する概略図である。FIG. 6 is a schematic diagram illustrating an example of a magnetic detector according to the third embodiment.

　以下に実施形態に係る磁気検出器について説明する。磁気検出器１は、被測定サンプル１００に発生する磁気を検出するためのものである。図１は、第１実施形態に係る磁気検出器の一例を説明する概略図である。The magnetic detector according to the embodiment will be described below. Themagnetic detector 1 is for detecting magnetism generated in the measuredsample 100. Figure 1 is a schematic diagram for explaining an example of the magnetic detector according to the first embodiment.

［第１実施形態］
　（被測定サンプル）
　被測定サンプル１００は、磁気検出器１による検出の対象物、言い換えると、試料である。被測定サンプル１００は、回路を電流が流れることによって磁界が発生する。被測定サンプル１００に生じた磁気を、磁気検出器１が検出する。[First embodiment]
(Measurement sample)
The measuredsample 100 is an object to be detected by themagnetic detector 1, in other words, a specimen. A magnetic field is generated in the measuredsample 100 when a current flows through a circuit. The magnetic field generated in the measuredsample 100 is detected by themagnetic detector 1.

　（磁気検出器）
　磁気検出器１は、図示しない顕微鏡の対物レンズと、被測定サンプル１００との間に配置される。磁気検出器１は、ダイヤモンド基板１０と、第１基板１３と、放射体２４と、第２基板１５とを備える。(Magnetic detector)
Themagnetic detector 1 is disposed between an objective lens of a microscope (not shown) and a measuredsample 100. Themagnetic detector 1 includes adiamond substrate 10, afirst substrate 13, aradiator 24, and asecond substrate 15.

　ダイヤモンド基板１０は、いわゆるダイヤモンドセンサである。ダイヤモンド基板１０は、ダイヤモンド結晶に形成されたＮＶセンタ１１を有する。Thediamond substrate 10 is a so-called diamond sensor. Thediamond substrate 10 has anNV center 11 formed in a diamond crystal.

　ダイヤモンド結晶には、ＮＶセンタ１１が形成される。ダイヤモンド結晶は、１辺の長さが、例えば２ｍｍである。ダイヤモンド結晶は、厚さが、例えば３００μｍである。AnNV center 11 is formed in the diamond crystal. The length of one side of the diamond crystal is, for example, 2 mm. The thickness of the diamond crystal is, for example, 300 μm.

　ＮＶセンタ１１は、ダイヤモンド結晶の一面に単一で配置されていても、複数を配列してもよい。ＮＶセンタ１１は、方位が一方向にそろっていてもよい。ＮＶセンタ１１は、異なる複数の方位の結晶であってもよい。ＮＶセンタ１１は、面１１ｂの極表面に、例えば、ＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ　Ｖａｐｏｒ　Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法やイオン注入法によって形成される。NV center 11 may be arranged singly on one face of the diamond crystal, ormultiple NV centers 11 may be arranged in one direction.NV center 11 may be a crystal with multiple different orientations.NV center 11 is formed on the extreme surface of face 11b by, for example, CVD (Chemical Vapor Deposition) or ion implantation.

　ＮＶセンタ１１は、ダイヤモンド結晶において、本来は炭素が存在するべきところが窒素で置換され、隣接する位置に空孔がある複合欠陥である。ＮＶセンタ１１は、縮退する共有電子対の一部が欠損する。ＮＶセンタ１１は、ゼロ磁場においてｍ＝０とｍ＝±１の２つの準位のスピン角運動量を持った電子を有する。ｍ＝±１の電子は磁気モーメントを持つため外部磁場の影響を受け、ｍ＝±１の縮退も解け、さらに２つのエネルギー準位を有する。これらに起因する電子スピン共鳴を光波及びマイクロ波を用いて検知することにより外部磁場の強度を検出可能である。TheNV centre 11 is a complex defect in a diamond crystal where carbon would normally be present, replaced by nitrogen, with a vacancy at an adjacent position. TheNV centre 11 is missing a portion of the degenerate shared electron pair. TheNV centre 11 has electrons with two levels of spin angular momentum, m = 0 and m = ±1, in zero magnetic field. The m = ±1 electrons have a magnetic moment and are therefore affected by an external magnetic field, which removes the m = ±1 degeneracy and gives them two more energy levels. The strength of the external magnetic field can be detected by detecting the electron spin resonance caused by these using light waves and microwaves.

　ＮＶセンタ１１の電子は、５３２ｎｍの波長の光で励起され、緩和の過程で６３８ｎｍの波長の蛍光を放出する。この蛍光過程は電子スピン共鳴周波数においては起こりにくい。そのため、この性質を用いることにより、ｍ＝±１の電子の状態を観測することができる。ダイヤモンド結晶のＮＶセンタ１１では、ゼロ磁場における電子スピン共鳴周波数が約２．８７ＧＨｚと知られている。この共鳴点の周波数（共鳴周波数）のマイクロ波が照射されたときに６３８ｎｍの波長の蛍光が消光する。また、外部磁場の大きさ等に応じたｍ＝±１の電子の状態の変化により、マイクロ波の共鳴周波数が変化する。そして、この変化を蛍光強度の周波数変化により捉えることで、磁界及び電流を検出可能である。Electrons in theNV center 11 are excited by light with a wavelength of 532 nm, and emit fluorescence with a wavelength of 638 nm during the relaxation process. This fluorescence process is unlikely to occur at the electron spin resonance frequency. Therefore, by using this property, the state of the m = ±1 electrons can be observed. In theNV center 11 of a diamond crystal, the electron spin resonance frequency in zero magnetic field is known to be approximately 2.87 GHz. When microwaves with the frequency of this resonance point (resonance frequency) are irradiated, the fluorescence with a wavelength of 638 nm is quenched. In addition, the resonant frequency of the microwave changes due to changes in the state of the m = ±1 electrons depending on the magnitude of the external magnetic field, etc. Then, by capturing this change as a frequency change in the fluorescence intensity, it is possible to detect magnetic fields and currents.

　ダイヤモンド基板１０の面１０ａは、少なくとも一部が後述する第２基板１５の開口１６から露出する。本実施形態では、ダイヤモンド基板１０の面１０ａは、全面が開口１６から露出する。ダイヤモンド基板１０の開口１６から露出した部分から、マイクロ波及び緑色光が入射する。ダイヤモンド基板１０の開口１６から露出した部分から、赤色光が射出される。図１において、緑色光の入射方向を矢印ＬＧで示す。赤色光の射出方向を矢印ＬＲで示す。マイクロ波の入射方向を矢印ＬＭで示す。At least a portion ofsurface 10a ofdiamond substrate 10 is exposed from opening 16 ofsecond substrate 15, which will be described later. In this embodiment,surface 10a ofdiamond substrate 10 is entirely exposed from opening 16. Microwaves and green light enter from the portion ofdiamond substrate 10 exposed from opening 16. Red light exits from the portion ofdiamond substrate 10 exposed from opening 16. In FIG. 1, the direction of incidence of green light is indicated by arrow LG. The direction of emission of red light is indicated by arrow LR. The direction of incidence of microwaves is indicated by arrow LM.

　ダイヤモンド基板１０の面１０ｂは、磁気検出面である。ダイヤモンド基板１０の面１０ａ側に、第１基板１３が配置されている。Surface 10b ofdiamond substrate 10 is the magnetic detection surface. Afirst substrate 13 is disposed on thesurface 10a side ofdiamond substrate 10.

　第１基板１３は、アンテナ基板である。第１基板１３は、透明な基板である。第１基板１３は、緑色光、赤色光及びマイクロ波を透過可能な基板である。第１基板１３の面１３ｂには、ダイヤモンド基板１０が配置されている。第１基板１３の面１３ａには、第２基板１５及び放射体２４が配置されている。第１基板１３は、第２基板１５の開口１６より大きい外形を有する。第１基板１３の中央部であって、開口１６から露出する部分にダイヤモンド基板１０が接合されている。第１基板１３の外縁部と、第２基板１５の面１５ｂの内縁部とが接合されている。Thefirst substrate 13 is an antenna substrate. Thefirst substrate 13 is a transparent substrate. Thefirst substrate 13 is a substrate that is transmissive to green light, red light, and microwaves. Thediamond substrate 10 is disposed on thesurface 13b of thefirst substrate 13. Thesecond substrate 15 and theradiator 24 are disposed on thesurface 13a of thefirst substrate 13. Thefirst substrate 13 has an outer shape larger than the opening 16 of thesecond substrate 15. Thediamond substrate 10 is bonded to the central portion of thefirst substrate 13 that is exposed from theopening 16. The outer edge of thefirst substrate 13 is bonded to the inner edge of thesurface 15b of thesecond substrate 15.

　第１基板１３は、開口１６が設けられ、ダイヤモンド基板１０を直接保持することができない第２基板１５に代わって、ダイヤモンド基板１０を保持する。Thefirst substrate 13 has anopening 16 and holds thediamond substrate 10 instead of thesecond substrate 15, which cannot directly hold thediamond substrate 10.

　第２基板１５は、ＰＣＢ（Ｐｒｉｎｔｅｄ　Ｃｉｒｃｕｉｔ　Ｂｏａｒｄ）である。第２基板１５は、中央部に開口１６を有する。第２基板１５の中央部には、第１基板１３が配置されている。第２基板１５の面１５ｂの内縁部に、第１基板１３の外縁部が接合されている。Thesecond substrate 15 is a PCB (Printed Circuit Board). Thesecond substrate 15 has an opening 16 in the center. Thefirst substrate 13 is disposed in the center of thesecond substrate 15. The outer edge of thefirst substrate 13 is joined to the inner edge of thesurface 15b of thesecond substrate 15.

　上面視において、開口１６の周縁部１６ａと、ダイヤモンド基板１０との間に径方向において間隔Ｓが存在する。When viewed from above, there is a radial gap S between theperipheral edge 16a of theopening 16 and thediamond substrate 10.

　上面視とは、緑色光の入射方向に沿った方向視である。上面視とは、磁気検出器１を磁気検出面と反対側から見ることである。The top view is a view along the direction of incidence of the green light. The top view is a view of themagnetic detector 1 from the side opposite the magnetic detection surface.

　第２基板１５の開口１６と対物レンズの視野角Ｖとの関係について説明する。図１において、破線は、対物レンズの視野角Ｖ、すなわち、ＮＡ（Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ　Ａｐｅｒｔｕｒｅ、開口数）と作動距離とを示す。視野角Ｖよりも第２基板１５の開口１６が狭い場合、対物レンズから入射する励起光の一部が第２基板１５により遮られて光量が低下し、検出感度が低下する。そこで、対物レンズから入射する励起光が遮られないように、言い換えると、視野角Ａを遮ることがないように、第２基板１５の開口１６の大きさが設定される。これにより、第２基板１５の開口１６を介して、ダイヤモンド基板１０の面１０ａから励起光及びマイクロ波を適切に入射させ、磁気検出面である面１０ｂ側のＮＶセンタ１１に作用させられる。The relationship between the opening 16 of thesecond substrate 15 and the viewing angle V of the objective lens will be explained. In FIG. 1, the dashed line indicates the viewing angle V of the objective lens, that is, the NA (Numerical Aperture) and the working distance. If theopening 16 of thesecond substrate 15 is narrower than the viewing angle V, a part of the excitation light incident from the objective lens is blocked by thesecond substrate 15, reducing the amount of light and the detection sensitivity. Therefore, the size of theopening 16 of thesecond substrate 15 is set so that the excitation light incident from the objective lens is not blocked, in other words, so that the viewing angle A is not blocked. As a result, the excitation light and microwaves are appropriately incident from thesurface 10a of thediamond substrate 10 through theopening 16 of thesecond substrate 15, and act on theNV center 11 on thesurface 10b side, which is the magnetic detection surface.

　第２基板１５には、放射体２４にマイクロ波を給電する高周波伝送線路が設けられている。高周波伝送線路については、後述する。Thesecond substrate 15 is provided with a high-frequency transmission line that supplies microwaves to theradiator 24. The high-frequency transmission line will be described later.

　このように構成された磁気検出器１において、被測定サンプル１００の磁場を測定する際に、被測定サンプル１００に近い順に、ダイヤモンド基板１０、第１基板１３、第２基板１５の順番に積層されている。In themagnetic detector 1 configured in this manner, when measuring the magnetic field of thesample 100 to be measured, thediamond substrate 10, thefirst substrate 13, and thesecond substrate 15 are stacked in that order, starting from the substrate closest to thesample 100 to be measured.

　（マイクロ波給電系）
　マイクロ波給電系は、磁気検出器１において、マイクロ波を給電する。マイクロ波給電系は、放射体２４である。放射体２４は、第１基板１３の面１３ａに設けられている。放射体２４は、ダイヤモンド基板１０のＮＶセンタ１１にマイクロ波を印可する。放射体２４は、ダイヤモンド基板１０のＮＶセンタ１１に照射するマイクロ波を伝送する。放射体２４は、図示しないマイクロ波源からのマイクロ波を伝送する。放射体２４には、第２基板１５に設けられた高周波伝送線路が接続され、外部からマイクロ波が給電される。(Microwave power supply system)
The microwave power supply system supplies microwaves in themagnetic detector 1. The microwave power supply system is aradiator 24. Theradiator 24 is provided on thesurface 13a of thefirst substrate 13. Theradiator 24 applies microwaves to theNV center 11 of thediamond substrate 10. Theradiator 24 transmits microwaves to be irradiated to theNV center 11 of thediamond substrate 10. Theradiator 24 transmits microwaves from a microwave source (not shown). A high-frequency transmission line provided on thesecond substrate 15 is connected to theradiator 24, and microwaves are supplied from the outside.

　放射体２４は、例えば、微小ループアンテナである。放射体２４は、例えば、周波数が２．８ＧＨｚ以上２．９ＧＨｚ以下である。放射体２４は、例えば、入力電力が－２０ｄＢｍ以上＋２０ｄＢｍ以下である。Theradiator 24 is, for example, a micro loop antenna. The frequency of theradiator 24 is, for example, 2.8 GHz or more and 2.9 GHz or less. The input power of theradiator 24 is, for example, -20 dBm or more and +20 dBm or less.

　放射体２４は、図３－２に示すように、櫛歯状に設けられていてもよい。櫛歯部は、キャパシタンスを構成する。櫛歯部は電極子のライン＆スペースや対数を調整することにより、放射体２４に入射する特定周波数のマイクロ波の反射を軽減することができる。Theradiator 24 may be arranged in a comb-like shape as shown in FIG. 3-2. The comb-tooth portion forms a capacitance. By adjusting the line and space of the electrode elements and the number of pairs, the comb-tooth portion can reduce the reflection of microwaves of a specific frequency that are incident on theradiator 24.

　（光学系）
　光学系は、磁気検出器１における、被測定サンプル１００の磁気を検出する。光学系は、図示しない発光素子及び受光素子である。発光素子及び受光素子は、例えば、ダイヤモンド基板１０に向かい合って配置された対物レンズに配置される。発光素子及び受光素子は、ダイヤモンド基板１０に設けられているＮＶセンタ１１に焦点が合わされている。(Optical system)
The optical system detects the magnetism of the measuredsample 100 in themagnetic detector 1. The optical system is a light-emitting element and a light-receiving element, not shown. The light-emitting element and the light-receiving element are arranged, for example, on an objective lens arranged facing thediamond substrate 10. The light-emitting element and the light-receiving element are focused on theNV center 11 provided on thediamond substrate 10.

　発光素子は、ダイヤモンド基板１０へ緑色光を照射する。発光素子は、ダイヤモンド結晶を照射する励起光を発光する。発光素子は、例えば、レーザダイオードである。発光素子は、例えば波長５２７ｎｍのレーザ光を発光する。発光素子は、緑色の励起光を発光する。発光素子として、例えば緑色発光ダイオード（ＬＥＤ：Ｌｉｇｈｔ　Ｅｍｉｔｔｉｎｇ　Ｄｉｏｄｅ）、緑色面発光レーザダイオード（ＶＣＳＥＬ：Ｖｅｒｔｉｃａｌ　Ｃａｖｉｔｙ　Ｓｕｒｆａｃｅ　Ｅｍｉｔｔｉｎｇ　Ｌａｓｅｒ）及び緑色端面発光レーザダイオード（ＬＤ：Ｌａｓｅｒ　Ｄｉｏｄｅ）等を用いることができる。The light-emitting element irradiates thediamond substrate 10 with green light. The light-emitting element emits excitation light that irradiates the diamond crystal. The light-emitting element is, for example, a laser diode. The light-emitting element emits laser light with a wavelength of, for example, 527 nm. The light-emitting element emits green excitation light. As the light-emitting element, for example, a green light-emitting diode (LED: Light Emitting Diode), a green surface-emitting laser diode (VCSEL: Vertical Cavity Surface Emitting Laser), and a green edge-emitting laser diode (LD: Laser Diode) can be used.

　受光素子は、ダイヤモンド基板１０に緑色光を入力することにより発生する赤色光を受光する。受光素子は、ダイヤモンド基板１０の蛍光を検出する。受光素子は、フォトダイオードである。受光素子は、励起光により発する蛍光を、ダイヤモンド結晶から受光する。受光素子は、例えばＳｉ－ＰＩＮフォトダイオード（ＰＤ：Ｐｈｏｔｏ　Ｄｉｏｄｅ）及びＩｎＧａＡｓ－ＰＩＮフォトダイオード等を用いることができる。The light receiving element receives the red light generated by inputting green light to thediamond substrate 10. The light receiving element detects the fluorescence of thediamond substrate 10. The light receiving element is a photodiode. The light receiving element receives the fluorescence emitted from the diamond crystal by the excitation light. For example, a Si-PIN photodiode (PD: Photo Diode) or an InGaAs-PIN photodiode can be used as the light receiving element.

　（基板）
　図２は、磁気検出器が配置された基板の一例を説明する概略図である。図３－１は、放射体の一例を説明する概略図である。図３－２は、放射体の部分拡大図である。このように構成された磁気検出器１は、基板５０上に配置されている。基板５０は、ＰＣＢである。本実施形態では、磁気検出器１の第２基板１５と基板５０とは１枚の基板であってもよいし、別の基板であってもよい。(substrate)
Fig. 2 is a schematic diagram illustrating an example of a substrate on which a magnetic detector is disposed. Fig. 3-1 is a schematic diagram illustrating an example of a radiator. Fig. 3-2 is a partially enlarged view of the radiator. Themagnetic detector 1 configured in this manner is disposed on asubstrate 50. Thesubstrate 50 is a PCB. In this embodiment, thesecond substrate 15 of themagnetic detector 1 and thesubstrate 50 may be a single substrate or may be separate substrates.

　基板５０上には、高周波コネクタ５１、高周波伝送線路５２、高周波伝送線路５３、高周波伝送線路５４、高周波伝送線路５５等のマイクロ波給電系が配置されている。高周波伝送線路５４は、第２基板１５との接続部に向かって、端部５４ａの幅が徐々に傾斜している。A microwave power supply system including a high-frequency connector 51, a high-frequency transmission line 52, a high-frequency transmission line 53, a high-frequency transmission line 54, and a high-frequency transmission line 55 are arranged on thesubstrate 50. The width of theend 54a of the high-frequency transmission line 54 gradually tapers toward the connection with thesecond substrate 15.

　（磁場検出方法・作用）
　磁気検出器１における、被測定サンプル１００の磁場の検出方法について説明する。磁界を検出する際には、磁気検出器１のダイヤモンド基板１０の磁界作用面である面１０ｂに、被測定サンプル１００を近接または密着させる。(Method and action of detecting magnetic field)
A method of detecting the magnetic field of thesample 100 to be measured in themagnetic detector 1 will be described below. When detecting a magnetic field, thesample 100 to be measured is placed close to or in close contact with thesurface 10b of thediamond substrate 10 of themagnetic detector 1, which is the magnetic field acting surface.

　マイクロ波源が発生させたマイクロ波は、高周波コネクタ５１、高周波伝送線路５２、高周波伝送線路５３、高周波伝送線路５４、高周波伝送線路５５を通じて放射体２４に伝搬する。そして、放射体２４からマイクロ波が放射される。そして、放射体２４から放射されたマイクロ波は、ダイヤモンド基板１０のＮＶセンタ１１に作用し電子スピン共鳴を生じさせる。被測定サンプル１００に発生する磁界の向きまたは大きさの空間的な変化が、磁気検出器１のダイヤモンド基板１０のダイヤモンド結晶のＮＶセンタ１１に作用する。The microwaves generated by the microwave source propagate to theradiator 24 through the high-frequency connector 51, high-frequency transmission line 52, high-frequency transmission line 53, high-frequency transmission line 54, and high-frequency transmission line 55. The microwaves are then radiated from theradiator 24. The microwaves radiated from theradiator 24 act on theNV center 11 of thediamond substrate 10, causing electron spin resonance. The spatial change in the direction or magnitude of the magnetic field generated in the measuredsample 100 acts on theNV center 11 of the diamond crystal of thediamond substrate 10 of themagnetic detector 1.

　発光素子の緑色の励起光は、ダイヤモンド結晶に入射する。そして、ダイヤモンド結晶に入射した緑色の励起光は、ダイヤモンド結晶内で広がりをもって拡散し、ＮＶセンタ１１を照射し励起する。The green excitation light from the light-emitting element is incident on the diamond crystal. The green excitation light that is incident on the diamond crystal then diffuses widely within the diamond crystal, irradiating and exciting theNV center 11.

　励起されたＮＶセンタ１１は、赤色の蛍光を発生し、赤色の蛍光は、ダイヤモンド結晶に入射する。そして、赤色の蛍光は、ダイヤモンド結晶内で広がりをもって拡散し、受光素子の受光面に入射する。Theexcited NV center 11 generates red fluorescence, which enters the diamond crystal. The red fluorescence then diffuses widely within the diamond crystal and enters the light receiving surface of the light receiving element.

　受光素子は、ダイヤモンド結晶から、励起光で励起されたＮＶセンタ１１の電子スピン共鳴信号を蛍光で受光する。The light receiving element receives the electron spin resonance signal of theNV center 11 excited by the excitation light from the diamond crystal as fluorescence.

　図４は、ループアンテナのＳ_１１反射特性を示す図である。図４は、磁気検出器１をダイヤモンド量子センサーヘッドとして実現した際に、高周波コネクタ５１にベクトルネットワークアナライザーのテストポートを接続し、Ｓ_１１反射特性を測定した結果を示すグラフである。図４に示すように、入力周波数２．９ＧＨｚにおいてＳ_１１＝－２５ｄＢと良好な特性を確認した。Fig. 4 is a diagram showing the_S11 reflection characteristic of the loop antenna. Fig. 4 is a graph showing the results of measuring the_S11 reflection characteristic when themagnetic detector 1 is realized as a diamond quantum sensor head and the test port of a vector network analyzer is connected to thehigh frequency connector 51. As shown in Fig. 4, a good characteristic of_S11 = -25 dB was confirmed at an input frequency of 2.9 GHz.

　（効果）
　以上により、本実施形態では、ダイヤモンド基板１０は、少なくとも一部が第２基板１５の開口１６から露出する。放射体２４は、第１基板１３の面、又は、ダイヤモンド基板１０の磁気検出面と反対側を向いた面に設けられている。本実施形態は、ダイヤモンド基板１０が小さくても、第２基板１５の開口１６により光学視野を確保できる。本実施形態では、ダイヤモンド基板１０の磁気検出面である面１０ｂ側に光学系やマイクロ波給電系が配置されない。本実施形態は、第２基板１５を介して、磁気検出面である面１０ｂの反対側の面１０ａから放射体２４へ給電できる。本実施形態は、磁気検出面である面１０ｂに様々な形状の被測定サンプル１００を近接させることができる。このようにして、本実施形態によれば、高感度の磁場を検出できる。(effect)
As described above, in this embodiment, at least a part of thediamond substrate 10 is exposed from theopening 16 of thesecond substrate 15. Theradiator 24 is provided on the surface of thefirst substrate 13 or on the surface of thediamond substrate 10 facing the opposite side to the magnetic detection surface. In this embodiment, even if thediamond substrate 10 is small, the optical field can be secured by theopening 16 of thesecond substrate 15. In this embodiment, an optical system or a microwave power supply system is not arranged on thesurface 10b side, which is the magnetic detection surface of thediamond substrate 10. In this embodiment, power can be supplied to theradiator 24 from thesurface 10a opposite to thesurface 10b, which is the magnetic detection surface, via thesecond substrate 15. In this embodiment, the measuredsample 100 of various shapes can be brought close to thesurface 10b, which is the magnetic detection surface. In this way, according to this embodiment, a magnetic field can be detected with high sensitivity.

　本実施形態によれば、磁気検出器１を顕微鏡に適用する場合、対物レンズの視野が十分確保されるので、光学的にＮＶセンタ１１を視野におさめやすくできる。本実施形態は、平板状の微小回路の磁場観察などに使用できる。According to this embodiment, when themagnetic detector 1 is applied to a microscope, the field of view of the objective lens is sufficiently secured, making it easier to optically bring theNV center 11 into the field of view. This embodiment can be used for observing the magnetic field of a flat microcircuit, etc.

　本実施形態では、上面視において、第２基板１５の開口１６の周縁部１６ａと、ダイヤモンド基板１０との間に間隔Ｓが存在する。本実施形態によれば、上面視において、ダイヤモンド基板１０の全体が第２基板１５の開口１６から露出することができる。本実施形態によれば、光学視野を効率よく確保できる。In this embodiment, when viewed from above, there is a gap S between theperipheral portion 16a of theopening 16 in thesecond substrate 15 and thediamond substrate 10. According to this embodiment, when viewed from above, theentire diamond substrate 10 can be exposed from theopening 16 in thesecond substrate 15. According to this embodiment, the optical field can be efficiently secured.

　本実施形態では、被測定サンプル１００に近い順に、ダイヤモンド基板１０、第１基板１３、第２基板１５の順番に積層されている。本実施形態によれば、磁気検出面である面１０ｂに様々な形状の被測定サンプル１００を近接させることができる。本実施形態は、ダイヤモンド基板１０を厚さに制限なく、配置することができる。In this embodiment, thediamond substrate 10, thefirst substrate 13, and thesecond substrate 15 are stacked in that order, starting from the substrate closest to the measuredsample 100. According to this embodiment, the measuredsamples 100 of various shapes can be brought close to thesurface 10b, which is the magnetic detection surface. In this embodiment, thediamond substrate 10 can be placed without any restrictions on thickness.

　本実施形態では、放射体２４は、第１基板１３に配置されている。本実施形態は、アンテナ形成面を第２基板１５の面上に沿って配置することができる。本実施形態によれば、第２基板１５にスルーホール等を設けなくてよいので、容易に構成できる。In this embodiment, theradiator 24 is disposed on thefirst substrate 13. In this embodiment, the antenna forming surface can be disposed along the surface of thesecond substrate 15. According to this embodiment, there is no need to provide a through hole or the like in thesecond substrate 15, and therefore the configuration can be easily performed.

　これに対して、特許文献１に記載の技術では、アンテナ形成面側が磁気検出面である。これにより、ダイヤモンドの外側からアンテナに給電する配線が磁気検出面側に凸部を形成する。このため、被測定サンプルを磁気検出面に近接しにくくなることがある。磁気検出面に被測定サンプルを十分に近づけられない場合、磁場の検出感度が低下する。In contrast, in the technology described inPatent Document 1, the surface on which the antenna is formed is the magnetic detection surface. As a result, the wiring that supplies power to the antenna from the outside of the diamond forms a convex portion on the magnetic detection surface side. This can make it difficult to bring the sample to be measured close to the magnetic detection surface. If the sample to be measured cannot be brought close enough to the magnetic detection surface, the detection sensitivity of the magnetic field decreases.

［第２実施形態］
　図５は、第２実施形態に係る磁気検出器の一例を説明する概略図である。本実施形態では、ダイヤモンド基板１０と、第１基板１３と、第２基板１５とが第一実施形態と異なる。[Second embodiment]
5 is a schematic diagram for explaining an example of a magnetic detector according to the second embodiment. In this embodiment, adiamond substrate 10, afirst substrate 13, and asecond substrate 15 are different from those in the first embodiment.

　ダイヤモンド基板１０及び第２基板１５は、第１基板１３の面１３ｂに配置されている。第２基板１５の開口１６の内側に、ダイヤモンド基板１０が配置されている。Thediamond substrate 10 and thesecond substrate 15 are disposed on thesurface 13b of thefirst substrate 13. Thediamond substrate 10 is disposed inside theopening 16 of thesecond substrate 15.

　ダイヤモンド基板１０は、第１基板１３の面１３ｂより突出していてもよい。Thediamond substrate 10 may protrude beyond thesurface 13b of thefirst substrate 13.

　放射体２４は、ダイヤモンド基板１０と第１基板１３との間に配置されている。より詳しくは、放射体２４は、第１基板１３の面１３ｂ、又は、ダイヤモンド基板１０の面１０ａに設けられている。Theemitter 24 is disposed between thediamond substrate 10 and thefirst substrate 13. More specifically, theemitter 24 is provided on thesurface 13b of thefirst substrate 13 or thesurface 10a of thediamond substrate 10.

　（効果）
　以上により、本実施形態では、ダイヤモンド基板１０及び第２基板１５は、第１基板１３の面１３ｂに配置されている。本実施形態では、第２基板１５の開口１６の内側に、ダイヤモンド基板１０が配置されている。本実施形態は、第一実施形態に比べて、磁気検出器１の厚さを薄くできる。本実施形態によれば、対物レンズをダイヤモンド基板１０のＮＶセンタ１１に近づけることができる。(effect)
As described above, in this embodiment, thediamond substrate 10 and thesecond substrate 15 are disposed on thesurface 13b of thefirst substrate 13. In this embodiment, thediamond substrate 10 is disposed inside theopening 16 of thesecond substrate 15. In this embodiment, the thickness of themagnetic detector 1 can be made thinner than in the first embodiment. According to this embodiment, the objective lens can be brought closer to theNV center 11 of thediamond substrate 10.

　本実施形態では、放射体２４は、ダイヤモンド基板１０と第１基板１３との間に配置されている。本実施形態は、磁気検出面である面１０ｂの反対側の面１０ａから放射体２４へ給電できる。In this embodiment, theradiator 24 is disposed between thediamond substrate 10 and thefirst substrate 13. In this embodiment, power can be supplied to theradiator 24 from thesurface 10a opposite thesurface 10b, which is the magnetic detection surface.

　本実施形態では、ダイヤモンド基板１０が第１基板１３の面１３ｂより突出している場合、磁気検出器１のダイヤモンド基板１０の磁界作用面である面１０ｂに、被測定サンプル１００を近接または密着できる。本実施形態は、磁気検出面である面１０ｂに様々な形状の被測定サンプル１００を近接させることができる。このようにして、本実施形態によれば、高感度の磁場を検出できる。In this embodiment, when thediamond substrate 10 protrudes beyond thesurface 13b of thefirst substrate 13, the measuredsample 100 can be brought close to or in close contact with thesurface 10b, which is the magnetic field acting surface of thediamond substrate 10 of themagnetic detector 1. This embodiment allows the measuredsamples 100 of various shapes to be brought close to thesurface 10b, which is the magnetic detection surface. In this way, this embodiment allows magnetic fields to be detected with high sensitivity.

［第３実施形態］
　図６は、第３実施形態に係る磁気検出器の一例を説明する概略図である。本実施形態では、磁気検出器１は、磁石３０を備える点で第一実施形態と異なる。[Third embodiment]
6 is a schematic diagram illustrating an example of a magnetic detector according to a third embodiment. In this embodiment, themagnetic detector 1 is different from the first embodiment in that it includes amagnet 30.

　磁石３０は、ダイヤモンド基板１０のＮＶセンタ１１に静磁場を印可する。磁石３０は、第１基板１３又は第２基板１５に配置されている。磁石３０は、ＮＶセンタ１１の方向ＡＤに対して垂直に磁場の方向ＡＭが向くように調整されている。Themagnet 30 applies a static magnetic field to theNV center 11 of thediamond substrate 10. Themagnet 30 is disposed on thefirst substrate 13 or thesecond substrate 15. Themagnet 30 is adjusted so that the direction AM of the magnetic field is perpendicular to the direction AD of theNV center 11.

　（効果）
　以上により、本実施形態では、磁石３０を第１基板１３の面１３ｂ上に固定できる。本実施形態によれば、磁石３０により、安定的かつ正確に二重共鳴を発生させることができる。本実施形態は、磁場をより正確に測定できる。(effect)
As described above, in this embodiment, themagnet 30 can be fixed onto thesurface 13b of thefirst substrate 13. According to this embodiment, double resonance can be stably and accurately generated by themagnet 30. This embodiment can measure the magnetic field more accurately.

　本出願の開示する実施形態は、発明の要旨及び範囲を逸脱しない範囲で変更できる。さらに、本出願の開示する実施形態及びその変形例は、適宜組み合わせることができる。The embodiments disclosed in this application may be modified without departing from the spirit and scope of the invention. Furthermore, the embodiments disclosed in this application and their variations may be combined as appropriate.

　添付の請求項に係る技術を完全かつ明瞭に開示するために特徴的な実施形態に関し記載してきた。しかし、添付の請求項は、上記実施形態に限定されるべきものでなく、本明細書に示した基礎的事項の範囲内で当該技術分野の当業者が創作しうるすべての変形例及び代替可能な構成を具現化するように構成されるべきである。The appended claims have been described in terms of characteristic embodiments in order to fully and clearly disclose the technology to which they relate. However, the appended claims should not be limited to the above-described embodiments, but should be constructed to embody all modifications and alternative configurations that may be created by those skilled in the art within the scope of the basic matters set forth in this specification.

　１　　　磁気検出器
　１０　　ダイヤモンド基板
　１１　　ＮＶセンタ
　１３　　第１基板
　１５　　第２基板
　１６　　開口
　２４　　放射体
　５０　　基板
　５１　　高周波コネクタ
　５２　　高周波伝送線路
　５３　　高周波伝送線路
　５４　　高周波伝送線路
　５４ａ　端部
　５５　　高周波伝送線路
　１００　被測定サンプルREFERENCE SIGNSLIST 1magnetic detector 10diamond substrate 11NV center 13first substrate 15second substrate 16opening 24radiator 50substrate 51high frequency connector 52 highfrequency transmission line 53 highfrequency transmission line 54 highfrequency transmissionline 54a end 55 highfrequency transmission line 100 sample to be measured

Claims (7)

Translated fromJapanese

　ＮＶセンタを有するダイヤモンド基板と、
　前記ダイヤモンド基板が配置された、透明な第１基板と、
　前記第１基板の面、又は、前記ダイヤモンド基板のＮＶセンタが設けられた面と反対側を向いた面に設けられた放射体と、
　開口を有し、前記第１基板が配置された第２基板と、
　を備え、
　前記ダイヤモンド基板は、少なくとも一部が前記開口から露出する、
　磁気検出器。a diamond substrate having an NV center;
a transparent first substrate on which the diamond substrate is disposed;
a radiator provided on a surface of the first substrate or a surface of the diamond substrate facing opposite to a surface on which the NV center is provided;
a second substrate having an opening and on which the first substrate is disposed;
Equipped with
At least a portion of the diamond substrate is exposed through the opening.
Magnetic detector.　上面視において、前記開口の周縁部と、前記ダイヤモンド基板との間に間隔が存在する、
　請求項１に記載の磁気検出器。When viewed from above, a gap exists between the peripheral edge of the opening and the diamond substrate.
The magnetic detector according to claim 1 .　磁気を検出する被測定サンプルに近い順に、前記ダイヤモンド基板、前記第１基板、前記第２基板の順番に積層されている、
　請求項１に記載の磁気検出器。The diamond substrate, the first substrate, and the second substrate are laminated in this order in order of proximity to a sample to be measured for which magnetic fields are to be detected.
The magnetic detector according to claim 1 .　前記放射体は、前記第１基板に配置されている、
　請求項３に記載の磁気検出器。The radiator is disposed on the first substrate.
The magnetic detector according to claim 3 .　前記ダイヤモンド基板及び前記第２基板は、前記第１基板の表面に配置され、
　前記第２基板の前記開口の内側に、前記ダイヤモンド基板が配置されている、
　請求項１に記載の磁気検出器。the diamond substrate and the second substrate are disposed on a surface of the first substrate;
The diamond substrate is disposed inside the opening of the second substrate.
The magnetic detector according to claim 1 .　前記放射体は、前記ダイヤモンド基板と前記第１基板との間に配置されている、
　請求項５に記載の磁気検出器。The emitter is disposed between the diamond substrate and the first substrate.
The magnetic detector according to claim 5 .　前記第１基板又は前記第２基板に配置された磁石、
　を備え、
　前記ＮＶセンタの方向に対して垂直に磁場の方向が向くように調整されている、
　請求項１に記載の磁気検出器。A magnet disposed on the first substrate or the second substrate;
Equipped with
The magnetic field is adjusted so as to be oriented perpendicular to the direction of the NV center.
The magnetic detector according to claim 1 .

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