(57)【要約】  スピン欠陥中心アンサンブルとマイクロ波共振器の間の空洞とスピンの相互作用のマイクロ波共振器による読み出しは、光学読み出しで可能であるよりも桁違いに高い忠実度をもたらす。マイクロ波共振器による読み出しにおいて、マイクロ波光子は、測定される物理的パラメータに供されるスピン欠陥中心アンサンブルに結合されたマイクロ波共振器をプローブする。物理的パラメータは、スピン欠陥中心の共振を変化させ、これが次にマイクロ波共振器の分散および／または吸収を変化させる。マイクロ波光子は、これらの分散および／または吸収の変化をプローブし、同等の蛍光測定よりも高い視認性、低いショット雑音、優れた感度、高い信号対雑音比での測定をもたらす。さらに、マイクロ波共振器による読み出しは、スピン欠陥中心アンサンブルの一貫した平均化を可能にし、ダイヤモンド中の窒素空孔以外のスピンシステムと互換性がある。
2021536565.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
センサシステムであって、
マイクロ波共振器と、
前記マイクロ波共振器に電磁結合され、スピン欠陥中心を包含する固体ホストと、
前記マイクロ波共振器および前記スピン欠陥中心と電磁通信して、マイクロ波放射を前記マイクロ波共振器および前記スピン欠陥中心に照射するマイクロ波放射源であって、前記マイクロ波共振器が前記マイクロ波放射と前記スピン欠陥中心の間の相互作用を増強する、マイクロ波放射源と、
前記マイクロ波共振器および前記スピン欠陥中心と電磁通信して、前記スピン欠陥中心との相互作用の後に前記マイクロ波共振器から出る前記マイクロ波放射の振幅および／または位相を測定する検出器と、を備える、センサシステム。
【請求項２】
前記スピン欠陥中心に適用された物理的パラメータによって引き起こされた前記スピン欠陥中心の共振周波数のシフトに応答して、前記検出器が前記マイクロ波放射の前記振幅および／または前記位相の変化を感知するように構成されている、請求項１に記載のセンサシステム。
【請求項３】
前記検出器が、基準アームを有するホモダインセンサである、請求項１に記載のセンサシステム。
【請求項４】
前記検出器が、ヘテロダイン周波数にて、前記スピン欠陥中心の共振周波数をシフトさせる物理的パラメータについての情報を符号化するように構成されたヘテロダイン検出器である、請求項１に記載のセンサシステム。
【請求項５】
請求項１に記載のセンサシステムであって、
前記スピン欠陥中心と光通信して、前記スピン欠陥中心を所望の量子状態に励起する、光学励起源をさらに備える、センサシステム。
【請求項６】
請求項１に記載のセンサシステムであって、
前記マイクロ波放射の前記振幅および／または前記位相に基づいて、前記スピン欠陥中心によって経験される物理的パラメータを決定するための、前記検出器に動作可能に結合されたプロセッサをさらに備える、センサシステム。
【請求項７】
前記マイクロ波放射源が、前記プロセッサによって決定された前記物理的パラメータに基づいて前記マイクロ波放射を変化させるように構成されている、請求項６に記載のセンサシステム。
【請求項８】
前記プロセッサが、前記マイクロ波放射の前記振幅および／または位相に基づいて前記スピン欠陥中心の量子状態を決定するように構成されている、請求項６に記載のセンサシステム。
【請求項９】
請求項１に記載のセンサシステムであって、
前記マイクロ波共振器に動作可能に結合され、前記マイクロ波共振器の共振周波数を変化させるアクチュエータをさらに備える、センサシステム。
【請求項１０】
前記アクチュエータが、圧電素子、バラクター、調整可能なコンデンサ、または切替可能なコンデンサバンクのうちの少なくとも一つを含む、請求項９に記載のセンサシステム。
【請求項１１】
前記アクチュエータが、キャパシタンスを変化させることによって前記マイクロ波共振器の前記共振周波数を変えるように構成されている、請求項９に記載のセンサシステム。
【請求項１２】
前記アクチュエータが、インダクタンスを変化させることによって、前記マイクロ波共振器の共振周波数を変えるように構成されている、請求項９に記載のセンサシステム。
【請求項１３】
前記アクチュエータに複数のトーンを適用すると、前記マイクロ波共振器が複数の周波数で同時に共鳴する、請求項９に記載のセンサシステム。
【請求項１４】
前記マイクロ波共振器が複数の周波数で同時に共鳴することを可能にするように構成された、動的に制御されたキャパシタンスを前記アクチュエータが備える、請求項９に記載のセンサシステム。
【請求項１５】
固体ホストを包含するマイクロ波共振器を用いて物理的パラメータを測定する方法であって、前記方法が、
前記固体ホスト中のスピン欠陥中心を、前記物理的パラメータに供し、前記物理的パラメータが、前記マイクロ波共振器の共振周波数に対して前記スピン欠陥中心の共振周波数のシフトを引き起こすことと、
前記スピン欠陥中心の前記共振周波数の前記シフトを、前記マイクロ波共振器の前記共振周波数に対して、マイクロ波波形でプローブすることと、
前記マイクロ波共振器および前記スピン欠陥中心から透過および／または反射された前記マイクロ波波形を測定することと、
前記マイクロ波共振器および前記スピン欠陥中心から透過および／または反射された前記マイクロ波波形に基づいて、前記物理的パラメータの振幅および／または方向を決定することと、を含む、方法。
【請求項１６】
前記マイクロ波波形を測定することが、前記マイクロ波波形の同相成分および直交成分を測定することを含む、請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
前記マイクロ波波形を測定することが、前記スピン欠陥中心の前記共振周波数における前記シフトを、前記マイクロ波共振器の前記共振周波数に対して少なくとも９５％のコントラスト比で感知することを含む、請求項１５に記載の方法。
【請求項１８】
前記物理的パラメータの前記振幅および／または前記方向を決定することが、少なくとも０．１の読み出し忠実度で前記物理的パラメータを測定することを含む、請求項１５に記載の方法。
【請求項１９】
磁界センサであって、
共振回路であって、
マイクロ波共振器と、
前記マイクロ波共振器に近い固体ホストであって、前記固体ホストが、外部磁界に応答して前記マイクロ波共振器の共振周波数をシフトさせるスピン欠陥中心を有する、固体ホストと、
前記マイクロ波共振器の前記共振周波数をマイクロ波放射でプローブするための、前記共振回路と電磁通信するマイクロ波源と、
前記マイクロ波共振器の前記共振周波数をプローブする前記マイクロ波放射を検出するための、前記マイクロ波共振器と電磁通信するマイクロ波検出器と、
前記マイクロ波検出器に動作可能に結合され、前記検出器によって検出された前記マイクロ波放射に基づいて、前記外部磁界の大きさおよび／または方向を決定するプロセッサと、を備える、磁界センサ。
【請求項２０】
前記外部磁界が、異なる量子状態間の前記スピン欠陥中心の集団分布を変える、請求項１９に記載の磁界センサ。
【請求項２２】
前記マイクロ波検出器が、前記マイクロ波放射の同相成分および直交成分を検出するように構成されている、請求項１９に記載の磁界センサ。
【請求項２２】
請求項１９に記載の磁界センサであって、
前記マイクロ波源および前記マイクロ波検出器に動作可能に結合され、前記マイクロ波放射のスペクトル成分を前記マイクロ波共振器の前記共振周波数にロックする、ロック回路と、を備える、システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
（関連出願の相互参照）
本出願は、米国特許出願第６２／７２３，１１３号（２０１９年８月２７日出願）の米国特許法１１９条（ｅ）の下での優先権利益を主張し、参照によりその全体が本明細書に組み込まれる。
【０００２】
（政府支援）
本発明は、米国空軍によって授与された認可番号ＦＡ８７０２−１５−Ｄ−０００１の下、政府支援により行われた。政府は本発明において特定の権利を有する。
【背景技術】
【０００３】
固体スピンセンサは、固体ホストにおけるスピン中心欠陥（色中心欠陥を含む）を利用して、磁場、電場、温度、圧力、または原子種、分子種、または他のハドロン種の存在などの一つ以上の物理的パラメータまたは量を測定する。スピン中心欠陥は、ダイヤモンド中の窒素空孔（ＮＶ）などの固体ホスト内部の点状欠陥であり、物理量を感知する。それらの量子スピン状態は、光学励起およびマイクロ波放射によって操作することができ、量子スピン状態を物理的パラメータ（複数可）に対して感受性にさせる。
【０００４】
従来的な固体スピンセンサは以下のように動作する。固体スピンセンサ内の一つ以上の色中心欠陥は、光放射源からの光学励起放射によって照射される。光学励起放射による照射は、色中心欠陥に蛍光光を照射させ、これが光センサによって収集される。色中心欠陥への光学励起放射の適用は、色中心欠陥へのマイクロ波放射の照射を伴いうる。一部の実装において、マイクロ波放射は、色中心欠陥の量子エネルギーレベル（量子スピン状態）間の集団分布を操作するために使用される。
【０００５】
光学励起放射とマイクロ波放射は同時に、または連続的に、または同時かつ連続的に照射されうる。固体スピンセンサへの光学放射およびマイクロ波放射の照射は、測定される物理量に関連する情報が、照射された蛍光光に符号化されるように配置される。例えば、窒素空孔色中心欠陥を含有するダイヤモンドが、緑色光（４９５〜５７０ｎｍの波長の光）および適切なマイクロ波放射で照射される場合、ダイヤモンドは、量子スピン状態間のスピン中心欠陥集団の分布を符号化する赤色蛍光光（６３０〜８５０ｎｍの波長の光）を放射しうる。この集団分布は次に、スピン中心欠陥に適用された物理的パラメータに依存する。それ故に、検出された蛍光はスピン中心欠陥によって経験された物理量を表す。物理的パラメータが磁場である場合、この蛍光ベースの測定は、光検出磁気共鳴（ＯＤＭＲ）測定と呼ばれる。
【０００６】
図１は、固体スピンセンサ１１０（例えば、バルクダイヤモンドなどの固体ホスト中の、窒素空孔などのスピン中心欠陥）、マイクロ波放射源１２０、光放射源１３０、光検出器１４０、およびプロセッサ１６０（例えば、コンピュータ内）を有する、標準的な固体スピンセンサシステム１００を示す。動作中、マイクロ波放射源１２０および光放射源１３０は、固体スピンセンサ１１０にそれぞれマイクロ波放射および光学励起放射を照射する。マイクロ波放射および光学励起放射は、プロセッサ１６０によって制御されうる対応するスイッチ１２２、１３２によってそれぞれオンまたはオフにされてもよい。プロセッサ１６０はまた、マイクロ波放射および光学励起放射、例えば電力およびスペクトル成分量などの側面を制御してもよい。
【０００７】
光学励起放射によって励起されると、固体スピンセンサ１１０の色中心欠陥は蛍光光１１１を照射し、これが収集され、光検出器１４０に送信される。光検出器１４０に衝突する蛍光光１１１の強度を表す光検出器の出力は、アナログ・デジタル変換回路１４２によってデジタル化され、プロセッサ１６０に送信される。プロセッサ１６０は、検出された光学蛍光光の強度とともに、照射されたマイクロ波放射および光学励起放射の既知の時間的特性およびスペクトル特性を使用して、固体スピンセンサ１１０に及ぼされる物理量の値を計算する。
【発明の概要】
【０００８】
残念ながら、上述の蛍光光を使用して固体スピンセンサを読み出すことには基本的な欠点があり、それは蛍光光を使用してスピン中心欠陥の量子状態を決定することが非常に非効率でありうることである。蛍光ベースの読み出しでは、測定される物理的パラメータ（スピン中心欠陥の量子状態で符号化されている）の大半の情報は、量子状態を読み出す過程で失われる。読み出し中に失われた情報の量は、読み出し忠実度Ｆによって定量化される。Ｆ＝１の場合、情報は失われず、読み出し忠実度はスピン射影限界を超えて改善できない。読み出し忠実度Ｆ＝０．１の場合、９０％の情報が失われる。読み出し忠実度Ｆ＝０．０１の場合、９９％の情報が失われる。蛍光ベースの読み出しを用いる固体スピンセンサの読み出し忠実度は、Ｆ＝０．０００２からＦ＝０．０１３の範囲であり、これは情報の損失が最大で９８．７％であることを示す。
【０００９】
読み出し忠実度はまた、測定時間に影響を与える。概して、固体スピンセンサが所与の信号対雑音比（ＳＮＲ）を達成するのに要する時間はＦ２に比例するが、これは忠実度がより小さい場合、所与のＳＮＲに対する測定時間がより長いことを意味する。言い換えれば、所与のＳＮＲを達成するための測定時間は１／Ｆ２としてスケールする。これによって、比較的に高いＳＮＲの一過性物理量を測定するために、蛍光ベースのスピン中心欠陥測定の低い読み出し忠実度（Ｆ＜＜１）は非常に不利なものとなる。
【００１０】
対照的に、本発明の固体スピンセンサシステムは、マイクロ波共振器による読み出し技法を使用して、Ｆ＝１に近い読み出し忠実度で動作することができる。この読み出し忠実度は、光学読み出しでの読み出し忠実度よりも約１００倍優れている。これはＳＮＲの１００倍の増加、および所与のＳＮＲを達成するための読み出し時間の１０，０００分の１の減少につながる。この読み出し忠実度を達成するために、本発明の固体スピンセンサシステムは、固体スピンセンサと相互作用するマイクロ波放射の特徴を調べることによって、スピン中心欠陥の量子状態を決定する。入力マイクロ波放射とスピン中心欠陥の相互作用は、共振マイクロ波空洞の使用によって強化される。ダイヤモンド中の窒素空孔（ＮＶ）に基づく固体スピンセンサの場合、このマイクロ波共振器による読み出しを使用して、磁場依存性ゼーマン共鳴を決定することができる。磁場依存性ゼーマン共鳴の位置を決定することによって、本発明の固体スピンセンサは磁力計として機能しうる。このような磁力計は、バイオ感知、神経科学、地理調査、全磁気ナビゲーション、磁気変則性検出、および他の用途などの諸用途に使用することができる。
【００１１】
本発明のセンサシステムは、マイクロ波共振器と、マイクロ波共振器に電磁結合され、スピン欠陥中心を包含する固体ホストと、マイクロ波共振器およびスピン欠陥中心と電磁通信するマイクロ波放射源と、マイクロ波共振器およびスピン欠陥中心と電磁通信する検出器とを含みうる。動作時、マイクロ波放射源はマイクロ波共振器およびスピン欠陥中心にマイクロ波放射を照射する。マイクロ波共振器は、マイクロ波放射とスピン欠陥中心の間の相互作用を増強する。また検出器は、スピン欠陥中心との相互作用の後にマイクロ波共振器から出るマイクロ波放射の振幅および／または位相を測定する。
【００１２】
検出器は、スピン欠陥中心に適用された物理的パラメータ（例えば、磁場など）によって引き起こされたスピン欠陥中心の共振周波数のシフトに応答して、マイクロ波放射の振幅および／または位相の変化を感知するように構成されうる。検出器は、基準アームを有するホモダインセンサとして実装することができる。検出器はまた、ヘテロダイン周波数で、スピン欠陥中心の共振周波数をシフトさせる物理的パラメータについての情報を符号化するように構成されたヘテロダイン検出器として実装されてもよい。
【００１３】
センサシステムはまた、スピン欠陥中心と光通信する光学励起源（例えば、レーザー）を含み、スピン欠陥中心を所望の量子状態に励起してもよい。
【００１４】
センサシステムはまた、マイクロ波放射の振幅および／または位相に基づいて、スピン欠陥中心によって経験される物理的パラメータを決定するために、検出器に動作可能に結合されたプロセッサを含みうる。マイクロ波放射源は、プロセッサによって決定された物理的パラメータに基づいてマイクロ波放射を変化させることができる。またプロセッサは、マイクロ波放射の振幅および／または位相に基づいて、スピン欠陥中心の量子状態を決定することができる。
【００１５】
一部の場合において、センサシステムは、マイクロ波共振器の共振周波数を変化させるために、マイクロ波共振器に動作可能に結合されたアクチュエータを含む。アクチュエータは、圧電素子、バラクター、可変コンデンサ、または切替可能コンデンサバンクを含んでもよい。アクチュエータは、キャパシタンスまたはインダクタンスを変化させることによって、マイクロ波共振器の共振周波数を変えることができる。アクチュエータに複数のトーンを加えると、マイクロ波共振器が複数の周波数で同時に共鳴しうる。例えば、アクチュエータは、マイクロ波共振器が複数の周波数で同時に共鳴するのを可能にするように構成された動的に制御されるキャパシタンスを含んでもよい。
【００１６】
マイクロ波共振器による読み出しを使用して、固体ホストを包含するマイクロ波共振器で物理的パラメータを測定することができる。固体ホスト中のスピン欠陥中心は物理的パラメータに供され、これがマイクロ波共振器の共振周波数に対するスピン欠陥中心の共振周波数のシフトを生じさせる。マイクロ波波形は、マイクロ波共振器の共振周波数に対するスピン欠陥中心の共振周波数のシフトをプローブする。検出器は、マイクロ波共振器およびスピン欠陥中心から透過および／または反射されたマイクロ波波形を測定する。物理的パラメータの振幅および／または方向は、マイクロ波共振器およびスピン欠陥中心から透過および／または反射されたマイクロ波波形から決定されうる。
【００１７】
マイクロ波波形を測定することは、マイクロ波波形の同相成分および直交成分を測定することを含みうる。一部の場合において、マイクロ波波形を測定することは、マイクロ波共振器の共振周波数に対するスピン欠陥中心の共振周波数のシフトを、少なくとも９５％のコントラスト比で感知することを含む。同様に、物理的パラメータの振幅および／または方向を決定することは、少なくとも０．１の読み出し忠実度を有する物理的パラメータを測定することを含む。
【００１８】
所望する場合、マイクロ波共振器による読み出しは、共振回路と、共振回路と電磁通信するマイクロ波源と、マイクロ波共振器と電磁通信するマイクロ波検出器と、マイクロ波検出器に動作可能に結合されたプロセッサとを含む磁界センサにおいて実装されうる。共振回路は、マイクロ波共振器と、マイクロ波共振器に近接した固体ホストとを含む。この固体ホストは、外部磁界に応答してマイクロ波共振器の共振周波数をシフトさせるスピン欠陥中心を有し、これは異なる量子状態の間でのスピン欠陥中心の集団分布を変化しうる。マイクロ波源は、マイクロ波共振器の共振周波数をマイクロ波放射でプローブし、マイクロ波検出器は、マイクロ波共振器の共振周波数をプローブするマイクロ波放射を検出する。プロセッサは、検出器によって検出されるマイクロ波放射に基づいて、磁場の大きさおよび／または方向を決定する。
【００１９】
一部の場合において、マイクロ波検出器は、マイクロ波放射の同相成分および直交成分を検出するように構成される。
【００２０】
磁界センサはまた、マイクロ波放射のスペクトル成分をマイクロ波共振器の共振周波数にロックするために、マイクロ波源およびマイクロ波検出器に動作可能に結合されたロック回路を含んでもよい。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
当業者であれば、図面が主として例示的な目的で提示されていて、本明細書に記載の本発明の主題の範囲を制限することを意図していないことを理解するであろう。図面は必ずしも一定の比率ではなく、幾つかの実例において、本明細書に開示する本発明の主題のさまざまな態様は、異なる特徴の理解を容易にするために、図面内で誇張または拡大されて示されうる。図面において、同様の参照文字は概して、同様の特徴（例えば、機能的に類似したおよび／または構造的に類似した要素）を意味する。
【００２２】
【図１】図１は、光学読み出しを備えた典型的な標準的固体スピンセンサを示す。
【図２Ａ】図２Ａは、固体スピンセンサによる光学読み出しを図示する。
【図２Ｂ】図２Ｂは、固体スピンセンサでのマイクロ波共振器による読み出しを図示する。
【図３Ａ】図３Ａは、マイクロ波共振器による読み出しを備えた本発明の固体スピンセンサシステムを示す。
【図３Ｂ】図３Ｂは、図３Ａのマイクロ波共振器および固体スピンセンサをより詳細に示す。
【図３Ｃ】図３Ｃは、図３Ｂのマイクロ波共振器のバラクター位置に対する無負荷Ｑ値（Ｑ、左軸）とピークツーピーク周波数シフト（右軸）のプロット図である。
【図４Ａ】図４Ａは、マイクロ波共振器による読み出しを備えた固体スピンセンサにおけるスピン欠陥中心の量子スピン状態の遷移を図示する。
【図４Ｂ】図４Ｂは、マイクロ波共振器による読み出しを備えた固体スピンセンサの、スピン中心欠陥のマイクロ波共振（上）そのものと、マイクロ波共振器のＱ値に及ぼすスピンの効果（下）とを示す。
【図４Ｃ】図４Ｃは、マイクロ波空洞中の固体スピンセンサにおけるスピン欠陥中心の量子スピン状態をプローブするマイクロ波放射の、電圧反射係数?の入力結合、および電圧透過係数Ｔの出力結合を図示する。
【図５】図５は、２つの誘電体マイクロ波共振器（破線）によって形成された空洞中の固体スピンセンサ（固体、ダイヤモンド形の輪郭）の固有周波数シミュレーションを示し、矢印は二次元ベクトル場分布を示す。
【図６】図６は、マイクロ波共振器による読み出し信号（右軸）と、印加された磁場に応じた光検出磁気共鳴（ＯＤＭＲ）信号（左軸）とのプロット図である。
【図７】図７は、本発明の固体スピンセンサからシミュレーション（上段）および実験（下段）したマイクロ波共振器による読み出し信号の透過（Ｔ）データ（左カラム）および反射（Γ）データ（右カラム）を示す。
【図８】図８は、異なるマイクロ波電力で５０  Ωインピーダンスに反射された本発明の固体スピンセンサからのマイクロ波共振器による読み出し信号のプロット図である。
【図９】図９は、本発明の固体スピンセンサの磁気感度チャネル（上部トレース）および磁気非感度チャネル（下部トレース）に対する感度対周波数のプロット図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
本発明の固体スピンセンサシステムは、固体スピンセンサ内でスピン中心欠陥と相互作用したマイクロ波放射の位相または振幅の物理量を符号化する。光学放射の代わりにマイクロ波放射の位相および／または振幅の物理量を符号化することは、対象の物理的パラメータに対するバルクアンサンブル固体スピンセンサの読み出し忠実度および感度を大幅に向上させ、全電気読み出し機構として、全光学読み出し機構よりも好ましい場合がある。固体スピンセンサシステムはまた、全光学読み出し機構を用いるデバイスよりも、標準的な半導体プロセス製造とより互換性がある。また、マイクロ波共振器による読み出しのおかげで、本発明の固体スピンセンサシステムは、光学読み出しと互換性があるよりも、ほぼすべての常磁性スピン欠陥を含め、より多くのタイプのスピン欠陥とよく機能することができる。
【００２４】
光学読み出しとマイクロ波共振器による読み出しとの間の違い
図２Ａおよび図２Ｂは、固体スピンセンサのマイクロ波共振器による読み出しが光学読み出しとはどのように違うのかを図示する。図２Ａは、従来の光学読み出し２００を図示する。光学放射２０１およびマイクロ波放射２０３は、結晶ホスト中の色中心欠陥の固体スピン２１１に照射され、固体スピン２１１のアンサンブルまたは集団を所望の量子状態分布に配置する。センサによって測定される物理的パラメータ２０５（磁場、電場、圧力、または温度など）は、固体スピン２１１の異なる量子状態において相対集団を変化させる。固体スピンの相対集団の変化は、固体スピン２１１によって照射された異なる量のフォトルミネッセンス２２１に反射される。フォトルミネッセンス２２１の変化は、せいぜい約０．０１の忠実度で検出されうる。
【００２５】
図２Ｂは、固体スピンセンサのマイクロ波共振器による読み出し２５０を図示する。入力マイクロ波放射２５３および光学放射２５１は、マイクロ波共振器２６３を介して固体スピン２６１に照射され、固体スピン２６１を偏光する。測定された物理的パラメータ２５５は、固体スピン２６１の異なる量子状態（および共振周波数）における相対集団を変化させる。固体スピン２６１の集団分布の変化は、マイクロ波共振器２６３の共振周波数またはＱ値を変化させる。共振周波数またはＱ値の変化は、マイクロ波共振器２６３によって透過または反射されたマイクロ波放射２７１の変化を生じ、これは少なくとも０．１（例えば、０．１０、０．２０、０．３０、０．４０、０．５０、０．６０、０．７０、０．７５、０．８０、０．８５、０．９０、０．９５、またはそれ以上）の忠実度で測定できる。また、マイクロ波共振器による読み出し２５０のコントラスト比は非常に高くすることができる（例えば、５０％、６０％、７０％、８０％、９０％、９５％、またはそれ以上）。
【００２６】
光学読み出し２００とは異なり、マイクロ波共振器による読み出し２５０では、固体スピン２６１の共振周波数の変化は中間効果であり、固体スピン２６１は次に、マイクロ波共振器の共振周波数および／またはＱ値を変化させ、出力マイクロ波放射の位相および／または振幅はマイクロ波共振器の共振周波数および／またはＱ値を反映する。
【００２７】
マイクロ波共振器による読み出しを有する固体スピンセンサシステム
図３Ａは、マイクロ波共振器による読み出しを有する固体スピンセンサシステム３００を示す。固体スピンセンサシステム３００は、複合マイクロ波共振器３８０によって画定されたマイクロ波空洞中に固体スピンセンサ３１０を含み、これはスピン中心欠陥のアンサンブルを包含する固体状態のホストである。適切な固体スピンセンサ３１０は、ダイヤモンド中のＮＶとシリコン空孔、炭化ケイ素中の複空孔、および酸化マグネシウム中のサファイア、ニッケル、コバルト中のチタン、クロム、マンガン、鉄、コバルト、ニッケルの欠陥を含む。アクチュエータ３８２は、複合マイクロ波共振器３８０の共振周波数を調整する。任意のバイアス磁石３１４は、任意のバイアス磁界を固体スピンセンサ３１０のスピン中心欠陥に印加し、欠陥のマイクロ波共振を分割する。また、任意の試験コイル３１８を使用して、固体スピンセンサシステム３００を試験または較正するための固体スピンセンサ３１０に既知の時間変化磁場を印加することができる。
【００２８】
システム３００は、欠陥のマイクロ波共振を入力マイクロ波放射でプローブするマイクロ波発振器３２０（パルスパターン発生器、任意の波形発生器、ダイレクトデジタルシンセサイザ、誘電体共振器発振器、または周波数多重水晶発振器など）を含む。マイクロ波発振器３２０の出力に結合されたマイクロ波スプリッター３２２は、入力マイクロ波放射を、第一の可変減衰器３２４（これはプロセッサ３６０によって制御される）を有する信号アームと、位相シフター３２６および第二の可変減衰器３２８（これらもまたプロセッサ３６０によって制御される）を有する基準アームとに分割する（プロセッサ３６０への接続は明確さのために省略している）。
【００２９】
第一の可変減衰器３２４に結合された３ポート式サーキュレーター３７０は、固体スピンセンサ３１０を包含するマイクロ波空洞に入力マイクロ波放射を結合し、マイクロ波空洞から反射された出力マイクロ波放射を受ける。サーキュレーター３７０は、第一のローノイズアンプ（ＬＮＡ）３７２および第一のバンドパスフィルタ（ＢＰＦ）３７４を通して、この出力マイクロ波放射を同相／直交（Ｉ／Ｑ）ミキサー３７８に結合し、このミキサーは増幅されフィルタリングされた出力マイクロ波放射を、基準アームからの入力マイクロ波放射のコピーと混合する。一つ以上のアナログ・デジタル変換回路（ＡＤＣ）を含みうるデータ収集（ＤＡＱ）ボード３４２は、Ｉ／Ｑミキサー３７８からの同相出力および直交出力を受信しデジタル化する。
【００３０】
プロセッサ３６０は、ＤＡＱボード３４２に結合され、デジタル化された同相出力および直交出力を使用して、システム３００によって測定された物理的パラメータ（例えば、外部磁界または電界の振幅および配向）を計算する。ＤＡＱボード３４２はまた、反射された出力マイクロ波放射に加えて、またはその代わりに、空洞を通して透過された出力マイクロ波放射を受信しデジタル化してもよい。この透過された出力マイクロ波放射は、第二のＢＰＦ  ３５４によってフィルタリングされた第二のＬＮＡ  ３５２によって増幅され、ＤＡＱボード３４２に結合されたマイクロ波検出器３５０によって検出される。（望ましい場合、マイクロ波検出器３５０は、入力マイクロ波放射の適切に位相シフトされたバージョンによって提供された局所発振器を用いた、バランスの取れたホモダイン検波またはヘテロダイン検波のためのデュアルチャネル検出器として実装することができる。）
【００３１】
ＤＡＱボード３４２およびマイクロ波発振器３２０に結合された任意のロック回路３６２は、入力マイクロ波放射の少なくとも一つのスペクトル成分（周波数トーン）をマイクロ波共振器３８０の共振周波数にロックしうる。ロック回路３６２は、測定される物理的パラメータによって引き起こされたマイクロ波共振器３８０の共振周波数またはＱ値の変化を表す誤差信号を生成する。この誤差信号を使用して、マイクロ波共振器３８０の共振周波数に対する入力マイクロ波放射の周波数を調整してもよい。（一般に、入力マイクロ波放射の周波数は、マイクロ波共振器の共振周波数の少数の空洞線幅内に保持される。）誤差信号はまた、以下に説明する通り、マイクロ波共振器３８０の共振周波数を変化させるアクチュエータ３８２を駆動することができる。例えば、ロック回路３６２は、パウンドドレバーホール（ＰＤＨ）法によるロック、ピークディザーロック、または別の技法を用いてロックを実施して、複合マイクロ波共振器３８０が、空洞に照射された入力マイクロ波放射の一つ以上のトーンと共鳴することを確実にすることができる。次いで、入力マイクロ波放射のトーン（複数可）を、固体スピンセンサ３１０の一つ以上の磁気共鳴にロックすることができる。
【００３２】
システム３００はまた、５３２ｎｍの波長でポンプビーム３３１を照射するポンプレーザー３３０などの任意の光放射源を含んでもよい。シャッターまたはスイッチなどの任意の変調器３３２は、このポンプビーム３３１が固体スピンセンサ３１０を照射するかどうかを制御する。システム３００はまた、例えば補助ＯＤＭＲ測定のために、固体スピンセンサ３１０のスピン中心欠陥によって照射された蛍光光を測定するために、ＤＡＱボード３４２に結合されている光検出器３４０を含みうる。
【００３３】
図３Ａのシステム３００において、空洞からの反射は、Ｉ／Ｑミキサー３７８の形態でホモダイン検出器によって検出されるホモダイン信号を構成する。ヘテロダイン検波の場合、基準アーム内の信号、または空洞を問い合わせる（インテロゲートする）信号（入力マイクロ波放射）を、適切な変調器（例えば、位相変調器３２６）によって変調することができる。結果として、反射信号（出力マイクロ波放射）が基準アーム内の信号と混合すると、Ｉ／Ｑミキサー３７８は、変調周波数で符号化された対象の信号を生成する。完全なヘテロダイン検波の一つの利点は、ＤＣよりも上の変調周波数で対象の信号を符号化することによって、測定がマイクロ波発振器３２０およびＩ／Ｑミキサー３７８からの１／ｆタイプのノイズに対して、はるかに低感度であることである。（混合がないため、空洞を通る透過はホモダイン系またはヘテロダイン系ではない。）
【００３４】
マイクロ波共振器の設計および構築
図３Ｂは、複合マイクロ波共振器３８０の長手方向断面を示す。マイクロ波共振器３８０は、固体スピンセンサ３１０のスピン中心欠陥と入力マイクロ波放射との間の相互作用を強化する。固体スピンセンサ３１０は、誘電体共振器３８４によって形成されたマイクロ波空洞３８１の中に位置し、これはハウジング（アルミニウムレンズ管３９０）中のテフロン保持リング３９２と３９６の間に挟まれている。（マイクロ波空洞３８１はまた、銀でメッキされたサファイアなどの導電性材料でメッキ加工された金属ループギャップ共振器または絶縁材料によって形成されてもよい。）複合マイクロ波共振器３８０はまた、平面素子から構成することができ、スプリットリング共振器、１／４波長共振器、パッチアンテナ、または任意の他の適切なマイクロ波共振器として実装することができる。半絶縁炭化ケイ素基材３９４は、空洞３８１中の固体スピンセンサ３８０を支持し、固体スピンセンサ３８０からの熱を放散する。
【００３５】
入力マイクロ波放射は、アルミニウムレンズ管３９０の穴をくぐり抜け三次元で移動できるワイヤループ３７６を使用する誘導結合によって、複合マイクロ波共振器３８０に結合される。別の方法として、入力マイクロ波放射は、ワイヤループ、エンドカップリング、または任意の他の適切な共振器結合での静電結合によって複合マイクロ波共振器３８０の中に結合されうる。ポンプビーム３３１は、アルミニウムレンズ管３９０の窓または開口部を介して固体スピンセンサ３１０を照射する。
【００３６】
希望する場合、１つ以上のバラクター（図示せず）に結合されたリングとして図３Ｂに示されたアクチュエータ３８２を使用して、複合マイクロ波空洞３８０の共振周波数を調整することができる。リング誘電体共振器およびバラクター３８２を誘電体共振器３８４に近づけてまたは遠ざけて移動することは、図３Ｃに示す通り複合マイクロ波共振器３８０の無負荷Ｑ値（Ｑ）と共振周波数の両方をシフトさせる。他の適切なアクチュエータは、圧電素子と、調整可能なコンデンサと、複合マイクロ波共振器のキャパシタンスを調整する切替可能なコンデンサバンクとを含む。
【００３７】
複合マイクロ波共振器の無負荷Ｑ値および共振周波数はまた、複合マイクロ波共振器のインダクタンスを変化させることによってシフトさせることができる。インダクタンスは典型的に、流れる電流の物理的位置によって決定されるため、例えば異なる経路間で電流を切り替えるスイッチを用いて、電流が流れる経路の配列または距離を変えることによって、インダクタンスを変えることができる。
【００３８】
複数のトーンをアクチュエータ（例えば、図３Ｂに示す動力制御されたキャパシタンス）に適用することは、マイクロ波共振器を複数の周波数で同時に共鳴させることを可能にする。ダイヤモンド中のＮＶを問い合わせる場合、例えばＮＶ共鳴の一部または全部を連続的にまたは同時に問い合わせるのが望ましい場合がある。例えば、１４ＮＶの場合、ダイヤモンド後者中のＮＶの４つの可能な配向、２つの可能なスピン状態、および３つの可能な超微細状態のおかげで、２４の共鳴がある。これらのＮＶ共鳴を通してマイクロ波共振器３８０の共振周波数をシフトまたは掃引することによって、例えば複数のトーンまたは周波数チャープをアクチュエータに適用することによって、各々のＮＶ共鳴を個別に問い合わせることを可能にする。
【００３９】
マイクロ波共振器による読み出し
図４Ａ〜４Ｃは、図３Ａの固体スピンセンサシステム３００でのマイクロ波共振器による読み出しを用いた磁場測定を図示する。磁場は、スピン欠陥中心の
【数１】
2021536565.tif 000003
【数２】
2021536565.tif 000004
および
【数３】
2021536565.tif 000005
スピン状態の集団比に符号化される（スピンシステムがダイヤモンド中のＮＶに基づいていると仮定する）。ポンプレーザー３３０は、ポンプビーム３３１で固体スピンセンサ３１０を照射し、これは５３２ｎｍの波長であり、変調器３３２によって振幅、位相、および／または周波数が変調されうる。例えば、変調器３３２は、ポンプビーム３３１をオンおよびオフにパルスしてもよい。ポンプビーム３３１は、スピン欠陥中心集団を再偏光し、すなわちそれが、図４Ａの状態図に示す通りの異なる量子エネルギーレベルの間でのスピン中心欠陥の分布を変化させる。この実装において、ポンプビーム３３１は、スピン中心欠陥の大半を単一の量子状態（
【数４】
2021536565.tif 000006
スピン状態）の中に投入する。
【００４０】
マイクロ波発振器３２０は、固体スピンセンサ３１０を入力マイクロ波放射で照射し、そのスペクトル成分量は量子エネルギーレベルの間で固体スピンセンサ中のスピン中心欠陥集団を移動させる。位相ノイズは磁気信号を模倣できるため、入力マイクロ波放射は低位相ノイズを有するはずである。磁気信号による空洞共振の周波数シフトと、位相ノイズによるマイクロ波放射の周波数シフトとの両方は、空洞から反射されたマイクロ波放射の量を変える。これらの２つの効果を区別することは非常に難しい場合がある。この効果の１つは磁気信号によって発生し、もう１つは位相ノイズによって発生する。位相ノイズを低減または抑制することは、位相ノイズによって引き起こされた出力マイクロ波放射の振幅の望ましくない変動を低減する。
【００４１】
入力マイクロ波放射のスペクトル成分量は、同じまたは異なる振幅を有する一つまたは複数の周波数トーンを含んでもよく、その各々は、マイクロ波共振器の共振周波数の１つ、５つ、またはさらには１０つ以内の空洞線幅内であってもよい。入力マイクロ波放射は、振幅変調、周波数変調、位相変調、または別の方法で時間が変化してもよい。任意の光学放射のように、この入力マイクロ波放射は、固体スピンセンサ３１０のスピン中心欠陥と相互作用し、異なる量子状態間のスピン中心欠陥の集団分布を変化させうる。
【００４２】
例えば、入力マイクロ波放射のパラメータ（周波数および位相またはそれらの任意の組み合わせ）は、量子状態のうちの一つにおけるスピン中心欠陥が入力マイクロ波放射のある程度の割合を吸収するように配置されてもよい。この吸収は、固体スピンセンサの透過スペクトルの低下として現れ、これは図４Ｂの上部トレースに表示されている。バイアス磁界（例えば、図３Ａのバイアス磁石３１４によって印加されたバイアス磁界）は、すべての
【数５】
2021536565.tif 000007
共振を１つの共振に重複させ、
【数６】
2021536565.tif 000008
共振を別の共振に重複させるので、透過スペクトル（図４Ｂの上部トレース）には２つの低下がある。この任意のバイアス磁界は、ＮＶとマイクロ波共振器３８０の間の相互作用を強化する。
【００４３】
固体スピンセンサの透過スペクトルの低下は、図４Ｂの下部トレースに示す通りのマイクロ波共振器の共振周波数と一致してもよい。さらに、マイクロ波共振器の自由スペクトル領域は、スピン中心欠陥の共鳴間での分割と一致または不一致するように選択されてもよく、バーニヤ式の測定を可能にする。スピン欠陥中心集団が、図４Ｂに示す通りのマイクロ波共振器とほぼ共鳴する、または共鳴する場合、マイクロ波共振器の共鳴線幅は共鳴吸収によって広がる。これによって、マイクロ波共振器の共振周波数は、マイクロ波光子の散乱および再照射によって空洞モードに戻る。
【００４４】
一般に、入力マイクロ波放射のスペクトル成分量は、マイクロ波共振器の共振周波数の少数の空洞線幅内にあるはずである。マイクロ波共振器の共振周波数は、スピン中心欠陥によって、スピン中心欠陥に適用された物理的パラメータ（例えば、磁場）に依存する量だけシフトされうる。例えば、マイクロ波共振器３２０は、２．９００ＧＨｚの中心周波数および２００ｋＨｚの線幅の共鳴を有してもよい。この共鳴にアクセスするために、入力マイクロ波放射は、２．８９９  ＧＨｚ〜２．９０１  ＧＨｚ（共振中心周波数の５つ以内の共鳴線幅）のスペクトル成分量を有する。スピン欠陥中心は、共振中心周波数をいずれかの方向に３００ｋＨｚまでシフトさせうる。共振中心周波数のこのシフトは、複合共振器３８０から反射されたマイクロ波放射に位相および振幅の差を付与する。
【００４５】
図４Ｃは、入力マイクロ波放射が固体スピン中心３１０およびマイクロ波共振器３８０と相互作用すると、反射された出力マイクロ波放射（Γ）および透過された出力マイクロ波放射（Ｔ）が生じることを示す。入力マイクロ波放射と総出力マイクロ波放射の間の電力の差は、入力マイクロ波放射によって対応される量子状態のスピン中心欠陥の数に依存するように配置されうる。例えば、入力マイクロ波放射パラメータ（周波数、位相、またはそれらの任意の組み合わせ）は、量子状態のうちの一つにおけるスピン中心欠陥が、入力マイクロ波放射に位相シフト（すなわち、分散）を導入するように配置されてもよい。空洞から出ると、出力マイクロ波放射は、スピン中心欠陥が存在しない場合とは異なる位相を有する。スピン中心欠陥によって出力マイクロ波放射に与えられた位相の追加的なシフトは、特定の量子状態におけるスピン中心欠陥の数に対応する。
【００４６】
結合ループ３７６は、入力マイクロ波放射をマイクロ波空洞３８１の中に誘導結合し、マイクロ波空洞３８１に結合されていない入力マイクロ波放射は、反射された出力マイクロ波放射としてサーキュレーター３７０に戻る。この出力マイクロ波放射は、マイクロ波検出器（デュアルチャネルマイクロ波検出器など）によって検出される前に増幅されフィルタリングされる。適切なデュアルチャネルマイクロ波検出器には、バランスミキサーと、デュアルダイオード検出器（例えば、出力が一対のバランスの取れたショットキーバリアダイオードに結合されている９０度ハイブリッドカプラー）と、Ｉ／Ｑミキサー（例えば、図３ＡのＩ／Ｑミキサー３８０）とが含まれ、基準マイクロ波放射入力が無線周波数（ＲＦ）ポートに入力され、出力マイクロ波放射入力が局所発振器（ＬＯ）ポートに入力され、またはその逆も可能である。
【００４７】
デュアルチャネル検出は任意であるが、シングルチャネル検出よりも実質的な利点を提供する。まず、デュアルチャネル検出器は、位相と振幅の両方の情報を取得、提供できる。典型的に、吸収は１つのチャネルで符号化され、分散は他のチャネルで符号化される。次いで分散信号は、空洞共振にロックされたマイクロ波周波数をロックするための誤差信号として使用される。デュアルチャネル検出を使用して、固定バックグラウンドを抑制またはキャンセルすることもできる。
【００４８】
デュアルチャネルマイクロ波検出器の出力は、（例えば、図３ＡのＤＡＱボード３４２にある）一つ以上のアナログ・デジタル変換回路を通される。アナログ・デジタル変換回路は、デュアルチャネルマイクロ波検出器の出力をデジタル化し、結果をコンピュータ（例えば、ＤＡＱボード３４２にあるまたはＤＡＱボード３４２に結合されたプロセッサ）に送信する。コンピュータは、デュアルチャネルマイクロ波検出器のデジタル化された出力を使用して、デュアルチャネル検出器のデジタル化された出力を使用して測定すべき物理的パラメータの値を計算する。例えば、デュアルチャネルマイクロ波検出器がＩ／Ｑミキサーである場合、デュアルチャネルマイクロ波検出器の出力は、基準マイクロ波放射と出力マイクロ波放射の間の振幅および位相の差の計算を可能にする同相信号および直交信号である。振幅または位相のいずれか、または振幅と位相から、コンピュータは、測定すべき物理的パラメータの値を決定することができる。
【００４９】
プロセッサ３６０はまた、デュアルチャネルマイクロ波検出器のデジタル化された出力を使用して、入力マイクロ波放射または光学励起放射を変調、調整、または別の方法で制御してもよい。例えば、プロセッサ３６０は、図３Ａのポンプレーザー３３０、変調器３３２、マイクロ波発振器３２０、第一の可変減衰器３２４、位相シフター３２６、または第二の可変減衰器３２８を起動してもよい。これらの構成品は、デバイスの感度を増大または最大化するために、またはデバイスの性能を変更するために、または任意のその他の目的のために制御されてもよい。
【００５０】
ＲＬＣ等価回路モデル
いかなる特定の理論に束縛されるものではないが、固体スピンセンサおよびマイクロ波共振器は、集中素子回路部品を有する古典的ＲＬＣ共振器として記述されうる。これらの集中素子回路部品は、スピン中心欠陥と測定すべき物理的パラメータとの間の相互作用の結果として、およびスピン中心欠陥とマイクロ波共振器の間の結合の結果として変化する。この回路の特性評価は、回路に対するマイクロ波放射入射の反射係数および透過係数の単純な計算をもたらす。
【００５１】
スピン中心欠陥のアンサンブルとマイクロ波共振器の間の結合は、複合デバイスのための等価回路を用いてモデル化することができる。複合デバイスは、ループとマイクロ波共振器の間の結合が、共振器モードの磁場と結合ループの間の相互インダクタンスとして表される、直列ＲＬＣ共振器として説明できる。この回路構成において、磁化率χを有するスピン欠陥中心アンサンブルは、マイクロ波共振器を通して正味の磁束に寄与し、結果としてマイクロ波共振器のインダクタンスおよび等価抵抗を修正する。スピン欠陥中心アンサンブルの磁化率χは複雑である（χ＝χ'−iχ″）。これは、マイクロ波光子のスピン欠陥中心の吸収を記述する虚部成分（χ″）と、スピン欠陥中心による分散を記述する実部成分（χ'）とを含む。χを実部成分と虚部成分に分離することは、直列抵抗RrがR'_r＝R_r（１＋Q０χ″）として修正されることを示し、Q０はマイクロ波共振器の固有Ｑ値Q０＝ωLr／Rrであり、また直列インダクタンスLｒはL'r＝Lr（１＋χ'）として修正される。
【００５２】
表１（以下）は、この分析を使用して計算された等価直列ＲＬＣ回路パラメータを、共振周波数（ω０／２π）および無負荷Ｑ値（Q０）の実測量とともに示す。
【表１】
2021536565.tif 000009
【００５３】
直列ＲＬＣ等価回路は並列ＲＬＣ等価回路に変換することができる。表２（以下）は、この分析を使用して計算された等価並列回路パラメータを、共振周波数（ω０／２π）および無負荷Ｑ値（Q０）の測定量とともに示す。
【表２】
2021536565.tif 000010
【００５４】
試験用磁場スピン欠陥中心マイクロ波共振器の測定
図３Ａに示す固体スピンセンサシステム３００は、磁場のマイクロ波共振器システムとＯＤＭＲによる同時測定を行うために構築され使用された。固体スピンセンサは、窒素空孔でドープされた、市販の天然高圧高温（ＨＰＨＴ）処理ダイヤモンドであった。ダイヤモンドは、特に高いＮＶ密度（従来の電子常磁性共鳴法を使用して測定した＞１０１７／ｃｍ３）を有し、線幅はγ＝８ＭＨｚであった。ダイヤモンドは、誘電体共振器（ＤＲ）スタックの中に機械加工された空洞に取り付けられた。図３Ｂのダイヤモンド、誘導体共振器スタック、および炭化ケイ素基板の有効共振周波数は２．９４０  ＧＨｚであり、無負荷Ｑ値（Q０）は約２２，０００であった。入力および出力の結合ループは、ＤＲスタックと同軸でアルミニウムシールドに入り、共振器ＴＥ１０δモードへの結合を可能にした。
【００５５】
図５は、ＤＲスタック３８４および固体スピンセンサ３１０（ダイヤモンド）の固有周波数シミュレーションを示す。共振周波数（f０＝２．９４０  ＧＨｚ）と磁気モードの空間分布を、Ａｎｓｙｓ社製高周波構造シミュレータ（ＨＦＳＳ）を使用して計算した。黒色の破線のオーバーレイは、二つの誘電体共振器３８４の輪郭を、機械加工された空洞中に配置されたダイヤモンド３１０とともに示す。矢印は二次元ベクトル場分布を示し、影は正規化された磁場の大きさを示す。ＴＥ１０δモードの磁場は磁気双極子の磁場に類似していて、ダイヤモンドは最大磁場の近くの空洞領域内に位置している。
【００５６】
図５の固有周波数シミュレーションは、マイクロ波放射と固体スピンセンサ３１０の間の相互作用を図示する。固体スピンセンサ３１０は、マイクロ波共振器における最大磁場の点に近い。これは、マイクロ波共振器とダイヤモンド中のＮＶスピンアンサンブルとの間の相互作用を増大または最大化し、マイクロ波共振器の特性の考察によってＮＶスピンアンサンブルをプローブすることを可能にする。
【００５７】
ＮＶスピンアンサンブル中のＮＶは、ＮＶの磁気共鳴に起因して、マイクロ波の吸収媒体のように働く。クラマース・クローニッヒの分散関係式によって、ＮＶはまた、磁気共鳴近くの周波数でマイクロ波の分散シフトを生成する。言い換えれば、ＮＶは、磁気共鳴近くの周波数でマイクロ波の吸収と分散の両方を生成する。この効果は弱い可能性があるが、マイクロ波共振器の大まかなＱ値によってマイクロ波共振器を使用することで増強することができる。（これが光学的アプローチであった場合、ＮＶと共振器の間の相互作用は空洞フィネスによって増加したであろう）。ＮＶがマイクロ波共振器と強く相互作用すると、ＮＶの挙動に応じて空洞中心周波数およびＱ値が変化する。
【００５８】
ダイヤモンドをＤＲスタックの中心に置き、２つの共振器の中心を通して円筒形の入口ポートを機械加工することによって、レーザーアクセスが達成された。しかしながら、マルチワットレーザー励起によって、ダイヤモンドの温度が数百ケルビン度上昇したため、放熱を促すために、ダイヤモンドは半絶縁性炭化ケイ素（ＳｉＣ）の２インチのウエハー３９４に付着された。この炭化ケイ素ウエハーを、ダイヤモンドとともに、ＤＲスタック中の２つのＤＲの間に配置した。希土類磁石（図３Ａの磁石３１４）によって、〈１００〉ダイヤモンドの結晶軸に沿ってＤＣバイアス磁場
【数７】
2021536565.tif 000011
が形成され、４つのＮＶ配向すべてに沿って等しい投影が得られた。希土類磁石と同軸に配置された試験コイル（図３Ａのコイル３１８）は、例えば印加された磁界を掃引するために、追加の磁場を印加することを可能にした。
【００５９】
入力マイクロ波放射をマイクロ波発振器によって生成し、方向性結合器を介して基準アームと信号アームに分割した。信号アームは、マイクロ波の電力をマイクロ波共振器に結合して出入りさせたサーキュレーターを通過した。サーキュレーターは、マイクロ波共振器によって反射された出力マイクロ波放射を入力マイクロ波放射から分離した。出力マイクロ波放射を連続的にフィルタリングし、増幅し、基準アーム信号と混合して、ＤＣで同相信号および直交（ＩＱ）信号を生成した。マイクロ波共振器によって透過された出力マイクロ波放射をマイクロ波共振器から直接読み出し、増幅段階後にデジタル化した。マイクロ波共振器による読み出し信号は、入力マイクロ波放射の周波数を空洞と共鳴するように固定し、ＮＶゼーマン共鳴のサブレベルが２．９４ＧＨｚで空洞共振を掃引するようにバイアス磁界Ｂ０の振幅を変調することによって得られた。光検出器は、ダイヤモンド中のＮＶによって照射された蛍光を同時に感知した。
【００６０】
図６は、バイアス磁界Ｂ０の振幅に応じたマイクロ波共振器読み出し信号（右軸）およびＯＤＭＲ信号（左軸）を示す。ＮＶアンサンブルは、印加されたバイアス磁場に応じた空洞共振を変位させ、ほぼ均一のコントラストマイクロ波共振器による読み出し信号を出した。サーキュレーターのポート１とポート３の間の不完全な分離によって、バックグラウンドマイクロ波光子のコントラストを３％減少させた。このコントラスト減少は、より高い分離サーキュレーターによって軽減することができる。一方、同時かつ同じ条件下で得られたＯＤＭＲ信号は、約５％のコントラストをもたらした。
【００６１】
反射および透過による読み出し
図７は、単調に増加するＤＣバイアス磁場（Ｂ０）下で反射および透過された出力マイクロ波放射を監視することによって得られた、ドライブ空洞（δ＝ω−ω０）とスピン空洞（Δ＝ω０−ωｓ）の離調を比較する二次元プロット図を示す。χ０上段の２つのプロット図は、上述した等価回路モデルを使用するマイクロ波共振器・ＮＶ相互作用のシミュレーションであり、静的感度およびＮＶＴ１を自由パラメータとして使用してデータを適合
【数８】
2021536565.tif 000012
させたものである。下段の２つのプロット図は、マイクロ波共振器に供給された−５６  ｄＢｍの入力マイクロ波放射で得られたデータを示す。この電力レベルで、入力マイクロ波放射は、マイクロ波共振器・ＮＶ相互作用の吸収効果または分散効果を飽和しなかった。相互作用はＮＶアンサンブルの状態偏光に比例していたため、ポンプレーザー出力は５２３ｎｍで１８Ｗに設定された。
【００６２】
図７のプロット図は、ＮＶと空洞の間の相互作用がゼロ離調の時に最も強力であったことを示し、マイクロ波共振器およびＮＶアンサンブルが（例えば、図４Ｂの下部トレースに示す通りの）同じ共振周波数を有する。吸収信号および分散信号は非常に視認可能であり、透過と反射の両方で、ゼロ離調で明らかな交差回避がもたらされる。
【００６３】
マイクロ波共振器による読み出しを使用する信号対雑音比（ＳＮＲ）は、入力マイクロ波放射電力（Ｖapp）に応じてスケールする。理想的に、飽和効果なしに、反射信号はこの電力と直線的にスケールするはずである。しかしながら、
【数９】
2021536565.tif 000013
遷移の飽和に起因して、増加した入力マイクロ波放射電力が反射信号のリターンの減少をもたらす電力レベルの上限（Ｖrms）がある。従って、入力マイクロ波電力レベルは、印加されたバイアス磁場
【数１０】
2021536565.tif 000014
に応じた反射信号の勾配を増加または最大化するように選択されるべきである。
【００６４】
図８は、異なる入力マイクロ波放射電力レベルで、５０Ωのインピーダンスで測定されたマイクロ波共振器による読み出しを示す。最も高い勾配は、入力マイクロ波放射電力レベルが１５ｄＢｍの場合に発生する。図８の曲線は、熱雑音の限界感度のおおよその予想値を示し、
【数１１】
2021536565.tif 000015
ここで、ｋＢはボルツマン定数であり、Ｔはシステム温度（ケルビン単位）であり、Ｒは抵抗（５０Ω）であり、Ｂ０は印加された磁場である。√２の係数は、熱雑音の計算が周波数で片面であることから生じる。入力マイクロ波放射が１５  ｄＢｍの場合、熱雑音の限界感度は
【数１２】
2021536565.tif 000016
である。
【００６５】
図９は、周波数に応じたマイクロ波共振器による読み出しの場合の固体スピンセンサシステムの磁気感度を示す。磁気感度チャネルのスペクトル（上部トレース）は、５〜１０ｋＨｚでの最小電力スペクトル密度、および１０Ｈｚで収集された信号を使用する２．６ｐＴ／√Ｈｚの感度を示す。（例えば、マイクロ波源の位相ノイズがより低いことや、共振器・スピンシステム結合がより強いことに起因する）より高い読み出し忠実度で、システムの感度は１ｆＴ／√Ｈｚ以上に達する可能性がある。比較すると、最良のＯＤＭＲ感度レベルは、１〜１０ｐＴ／√Ｈｚで底値となる。
【００６６】
１０Ｈｚで変化させた試験磁界を印加することによって、またマイクロ波共振器によって反射された出力マイクロ波放射を記録することによって、感度が測定された。マイクロ波共振器およびＮＶを、強く相互作用する項
【数１３】
2021536565.tif 000017
に調整し、ここでは分散信号の勾配が最大であり、印加された試験磁界は１０Ｈｚで約１μＴであった。これによって、マイクロ波共振器およびＮＶは、Ｉ／Ｑミキサーの同相チャネルおよび直交チャネルに分離された分散効果および吸収効果を経験するに至った。しかしながら、分散信号および吸収信号の異なる飽和挙動に起因して、１５  ｄＢｍの入力マイクロ波放射にて、吸収信号はほぼ抑制され、実質的に磁気感度はなかった。分散チャネルは、はるかに高いマイクロ波電力で磁気感度を維持する。基準アームの位相を調節することは分散信号を分離させ、入力マイクロ波放射の周波数を調整することは分散信号のＳＮＲを増加させた。
【００６７】
結論
発明に関する様々な実施形態を本明細書に記述し、かつ例示してきたが、当業者は、本明細書に記載の機能を実施するための、ならびに／または結果および／もしくは１つ以上の利点を得るための、様々な他の手段および／または構造を容易に想定し、そのような変形および／または修正のそれぞれは、本明細書に記載の発明に関する実施形態の範囲内であるものと見なされる。より一般的に、当業者は、本明細書に記載のすべてのパラメータ、寸法、材料、および構成が例示であることを意味することと、実際のパラメータ、寸法、材料、および／または構成が、本発明の教示が使用される特定の用途（複数可）に依存することとを容易に理解するであろう。当業者は、本明細書に記載の特定の発明に関する実施形態の多くの同等物を、単に通常の実験を用いて認識し、または確認することができるであろう。従って、前述の実施形態は、例としてのみ提示されていて、添付の特許請求の範囲およびその均等物の範囲内で、発明に関する実施形態は、具体的に記述および特許請求される以外の形で実践されうることが理解される。本開示の発明に関する実施形態は、本明細書に記載の個々の特徴、システム、物品、材料、キット、および／または方法を対象とする。加えて、二つ以上のこのような特徴、システム、物品、材料、キット、および／または方法の任意の組み合わせは、このような特徴、システム、物品、材料、キット、および／または方法が相互に矛盾しない場合、本開示の発明の範囲内に含まれる。
【００６８】
また、様々な発明の概念が、１つ以上の方法として具現化されてもよく、その例を提供してきた。方法の一部として行われる行為は、任意の適切なやり方で順序付けられうる。その結果、行為が例示するものとは異なる順序で実施される実施形態を構築してもよく、それは、例示的な実施形態に連続する行為として示されている場合であってさえも、一部の行為を同時に実施することを含んでもよい。
【００６９】
本明細書で定義および使用されるすべての定義は、辞書による定義、参照により組み込まれる文書中の定義、および／または定義された用語の通常の意味を統制するものと理解されるべきである。
【００７０】
本明細書および特許請求の範囲で使用する不定冠詞「ａ」および「ａｎ」は、明確にそうでないと示されない限り、「少なくとも一つ」を意味すると理解されるべきである。
【００７１】
本明細書および特許請求の範囲で使用する「および／または」という語句は、結合された要素の「いずれかまたは両方」を意味し、すなわち一部の場合において接続的に存在し、他の場合において離接的に存在する要素を意味すると理解されるべきである。「および／または」で挙げられる複数の要素は、同じ形式、すなわち等位接続される要素のうちの「一つまたは複数」と解釈されるべきである。具体的に識別される要素に関連するかまたは関連しないかにかかわらず、「および／または」節によって具体的に識別される要素以外に、他の要素が随意に存在しうる。従って、非限定的な例として、「Ａおよび／またはＢ」への言及は、「含む」などの制限のない語法と連動して使われる時に、一実施形態においてＡのみ（任意選択的にＢ以外の要素を含む）、別の実施形態においてＢのみ（任意選択的にＡ以外の要素を含む）、さらに別の実施形態においてＡとＢの両方（任意選択的に他の要素を含む）を指すことなどができる。
【００７２】
本明細書および特許請求の範囲において使用する「または」は、上で定義した「および／または」と同じ意味を有すると理解されるべきである。例えば、リスト内の項目を分離する時、「または」または「および／または」は包括的なもの、すなわち多数の要素または要素のリスト、および随意にリストに無い追加の項目のうちの少なくとも一つを含むが、二つ以上も含むと解釈されるものとする。それとは反対であると明確に指示される用語、例えば「のうちの一つのみ」もしくは「のうちのまさに一つ」、または特許請求の範囲において使用する時の「から成る」などの用語のみ、多数のまたは列挙された要素のうちのまさに一つの要素を包含することを指す。一般に、本明細書で使用する「または」という用語は、「いずれか」、「のうちの一つ」、「のうちの一つのみ」、または「のうちのまさに一つ」など、排他的な用語が先行する時に、排他的な選択肢（すなわち「両方ではなく一方または他方」）を示すとのみ解釈されるものとする。「から基本的に成る」は、特許請求の範囲で使用する場合、特許法の分野において使用される通常の意味を有するものとする。
【００７３】
本明細書および特許請求の範囲で使用する、一つまたは複数の要素のリストに関連する「少なくとも一つ」という語句は、要素のリストの中の要素のいずれか一つまたは複数から選択される、少なくとも一つの要素を意味するが、要素のリスト内で具体的に列挙したありとあらゆる要素のうちの、少なくとも一つを必ずしも含むわけではなく、要素のリストのいかなる要素の組み合せも除外するものではないと理解されるべきである。この定義は、「少なくとも一つ」という語句が指す、要素のリスト内で具体的に識別される以外の要素が、具体的に識別される要素に関連するかまたは関連しないかにかかわらず、任意に存在しうることを許容する。それ故に、非限定的な例として、「ＡおよびＢのうち少なくとも一つ」（または等価的に「ＡまたはＢのうちの少なくとも一つ」、もしくは等価的に「Ａおよび／またはＢのうちの少なくとも一つ」）は、一実施形態においてＢは存在せず、任意選択的に二つ以上のＡを含む、少なくとも一つのＡ（任意選択的にＢ以外の要素を含む）、別の実施形態においてＡは存在せず、任意選択的に二つ以上のＢを含む、少なくとも一つのＢ（任意選択的にＡ以外の要素を含む）、また別の実施形態において任意選択的に二つ以上のＡを含む、少なくとも一つのＡ、および任意選択的に二つ以上のＢを含む、少なくとも一つのＢ（任意選択的に他の要素を含む）を指すことなどができる。
【００７４】
特許請求の範囲、ならびに上記の明細書において、すべての移行句、例えば「含む（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」、「含む（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）」、「持つ（ｃａｒｒｙｉｎｇ）」、「有する（ｈａｖｉｎｇ）」、「包含する（ｃｏｎｔａｉｎｉｎｇ）」、「伴う（ｉｎｖｏｌｖｉｎｇ）」、「保つ（ｈｏｌｄｉｎｇ）」、「から構成される（ｃｏｍｐｏｓｅｄ  ｏｆ）」、および類似のものは制限がないと理解され、すなわち含むがそれに限定はされないということを意味する。「から成る（ｃｏｎｓｉｓｔｉｎｇ  ｏｆ）」および「から本質的に成る（ｃｏｎｓｉｓｔｉｎｇ  ｅｓｓｅｎｔｉａｌｌｙ  ｏｆ）」という移行句のみが、米国特許局の特許審査手続便覧、セクション２１１１．０３に規定の通り、それぞれ閉鎖的または半閉鎖的な移行句であるものとする。
【図１】
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【図２Ａ−２Ｂ】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図３Ｃ】
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【図４Ａ−４Ｃ】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【手続補正書】
【提出日】令和3年5月27日(2021.5.27)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３６】
希望する場合、１つ以上のバラクター（図示せず）に結合されたリングとして図３Ｂに示されたアクチュエータ３８２を使用して、複合マイクロ波共振器３８０の共振周波数を調整することができる。バラクターであるアクチュエータ３８２を有するリング誘電体共振器を誘電体共振器３８４に近づけてまたは遠ざけて移動することは、図３Ｃに示す通り複合マイクロ波共振器３８０の無負荷Ｑ値（Ｑ）と共振周波数の両方をシフトさせる。他の適切なアクチュエータは、圧電素子と、調整可能なコンデンサと、複合マイクロ波共振器のキャパシタンスを調整する切替可能なコンデンサバンクとを含む。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００４６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００４６】
結合ループ３７６は、入力マイクロ波放射をマイクロ波空洞３８１の中に誘導結合し、マイクロ波空洞３８１に結合されていない入力マイクロ波放射は、反射された出力マイクロ波放射としてサーキュレーター３７０に戻る。この出力マイクロ波放射は、マイクロ波検出器（デュアルチャネルマイクロ波検出器など）によって検出される前に増幅されフィルタリングされる。適切なデュアルチャネルマイクロ波検出器には、バランスミキサーと、デュアルダイオード検出器（例えば、出力が一対のバランスの取れたショットキーバリアダイオードに結合されている９０度ハイブリッドカプラー）と、Ｉ／Ｑミキサー（例えば、図３ＡのＩ／Ｑミキサー３７８）とが含まれ、基準マイクロ波放射入力が無線周波数（ＲＦ）ポートに入力され、出力マイクロ波放射入力が局所発振器（ＬＯ）ポートに入力され、またはその逆も可能である。
【手続補正３】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図３Ｂ
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図３Ｂ】
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【国際調査報告】
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