本发明属于量子信息解算领域，具体为一种基于微波调相谱技术应用高分辨率微波探针测试样品内部电子自旋信息的方法。
背景技术：
具有未抵消的电子磁矩来源于外层电子或共有化电子的未配对自旋（如半导体和金属中的导电电子、有机物的自由基、晶体缺陷（如位错）和辐照损伤（如色心）等）产生的未配对电子，在一定的恒定磁场和高频磁场同时作用下产生磁共振称为电子自旋共振（esr）。若在垂直外磁场方向加上合适频率的电磁波,能使处于低自旋能级的电子吸收电磁波能量而跃迁到高能级。利用这一原理，本系统采用高分辨率的纳米级别探针，通过对样品进行层析式微波扫描来研究矿物中顺磁性杂质离子以及与点缺陷有关的电子-空穴中心的类型、浓度、性质。
为读出样品内部原子的分布信息，现有方法有利用移动的stm探针与物质表面的相互作用，表面与针尖间的隧穿电流反馈出表面某个原子间电子的跃迁，并由此确定出物质表面的单一原子的排列状态长，但是其对stm探针有较高要求，为了使原子自旋共振，需要有高频导线将千兆赫频率的信号传递到探针，同时，需要保证处于超高真空环境，且只能探测到样品表面。
技术实现要素：
本发明针对现有电子自旋检测方法，提高了检测范围的宽度与深度，并采用非接触式探针，通过改变探测微波的频率来测试样品中不同的深度层面的微波吸收情况，利用样品中电子自旋共振时对微波信号的吸收来反映样品内部电子特性，突破了传统方法仅能测试样品表面特性的局限。
本发明是采用如下技术方案实现的：
一种基于微波调相谱技术的探针式电子自旋检测方法，包括如下步骤：
（1）、将微波发生器信号输出端接入微波谐振器，接着将信号通过悬臂梁接入纳米探针，纳米探针通过电子线路同时具备微波发射和接收功能，该纳米探针一方面发射来自微波共振器的微波、一方面接收对样品扫描区域内被吸收后反射的微波；纳米探针的微波输出端通过检波器和低频放大器连接示波器；
载物台处设置一个由永磁铁产生的稳恒磁场，在永磁铁外设置有调场线圈，所述调场线圈通过移相器连接可调电源；
载物台中心固定有具有电子自旋性质的样品，纳米探针固定在悬臂梁上，通过调节二维操作平台，使纳米探针针尖置于样品上方；
（2）、打开微波生成器，纳米探针尖端发射微波扫频信号，通过调场线圈产生一个低频交变磁场，迭加到稳恒磁场上去，观察和调节共振现象，确定该样品所对应的微波场频率范围；
（3）、设置好微波场频率，未放入样品时扫描将数据初始化后，将样品放置在载物台上；微波发生器输出微波后，先手动调整样品位置，接着探针在平台表面扫描，以确定样品边界；设置样品扫描区域及精确度后开始扫描，探针在扫描区域内进行移动，微波信号穿入样品内部，样品内部的电子吸收能量发生跃迁，信号返回探针并将反馈信号传送至示波器；
（4）、设置样品扫描区域及精确度后开始扫描，纳米探针在扫描区域内进行移动，微波信号穿入样品内部，样品内部的电子吸收能量发生跃迁，信号返回探针并将反馈信号传送至示波器；
（5）、示波器将数据输入fpga，对采集的信号进行数字滤波后进行处理分析，解算绘制解调图形，输出调整后的信号，在图形显示窗口显示波形微波吸收分布图谱；
（6）、通过观察微波的吸收峰，由此直观看出样品中发生电子自旋共振的位置，即获得样品中特定层面的可自旋电子分布信息，进而得出样品内部结构。
本发明方法中，微波发生器（vna）信号输出端接入微波共振器，得到具有相同稳定度和低相噪要求的一个频率或频段的信号，接着将信号通过悬臂梁接入纳米探针，探针一方面通过电子线路提供一个微波信号，另一方面通过电子线路对样品扫描区域内能量变化加以检测。载物台处设置一个稳恒磁场，由永久磁铁产生，这样即保证了磁场度稳定度高和均匀性好，又省去了稳压、稳流励磁电源。打开微波源，探针尖端发射微波扫频信号，调场线圈用来产生一个弱的低频交变磁场，迭加到恒定磁场上去，达到扫场的目的，结合示波器以便于观察和调节共振现象，确定该样品对应的特定微波场频率范围。然后设置好微波频率，未放入样品时扫描将数据初始化后，将样品放置在载物台上。微波发生器输出微波后，探针在扫描区域内进行高速移动，微波信号穿入样品内部，样品内部的电子吸收能量发生跃迁，信号返回探针并将反馈信号传送至数据采集端（示波器）。当样品有微小能量吸收时，使入射微波的振幅变小，应用高分辨率的纳米探针可以灵敏的检测到振幅发生的变化，提高了检测电子自旋共振信号的灵敏度。因此微波信号的包络变成由共振吸收信号调制的调幅波，经检波放大后，就可以把这个反映振荡器振荡幅度大小变化的共振吸收信号检测出来。根据采集端采集的信号输入fpga分析数据，生成微波吸收分布图谱（电子共振谱分布图），从而判断样品中发生电子自旋共振的位置，进一步可以得出样品内部结构。
本发明直接通过探针发射微波信号，扫描样品预设区域时，样品吸收微波能量产生电子自旋共振，分析微波进入样本前后微波能量的信息，绘制吸收图谱，实现对共振信号的检测，去除了探针与样品接触产生的损耗。
本发明方法结合了微波调相谱技术进行电子自旋共振信号的检测，用微波将电子能级激发，利用电子跃迁时对微波的吸收作用检测微波信号的变化，用来读出样品内电子自旋共振分布，即达到本发明目的。
本发明设计合理，检测方法简便，精度高，而且解决了探测样品内部结构的难题。
附图说明
图1表示探针式esr系统结构。
图2表示探针结构图。
图3表示自旋信息检测系统的工作流程。
图4表示信号分析解调过程。
图中：1-样品，2-微波发生器，3-微波谐振器，4-悬臂梁，5-纳米探针，6-载物台，7-永磁铁，8-调场线圈，9-移相器，10-可调电源。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施例进行详细说明。
一种基于微波调相谱技术的探针式电子自旋检测方法，检测系统如图1所示，包括纳米探针5，纳米探针5同时具备微波发射和接收功能，悬臂梁4一端连接探针5，另一端连接微波谐振器3，微波谐振器3连接微波发生器2；载物台6中心固定有样品1，探针5固定在悬臂梁4上，通过调节二维操作平台，使探针针尖刚好可以置于样品上方。载物台6处于右永磁铁7提供的强磁场中，永磁铁7外设置有调场线圈，调场线圈用来产生一个弱的低频交变磁场，迭加到恒定磁场上去，达到扫场的目的，结合示波器以便于观察和调节共振现象，确定该样品对应的特定微波场频率范围。
具体实施时，微波发生器输出微波后，先手动调整样品位置，接着探针在平台表面扫描，以确定样品边界。纳米探针1采用pt材料制备，提高探针测量精度。
该检测方法应用微波调相谱技术对样品进行自旋信息检测，只需在接收端收集微波信号就可以样品中自由电子自旋信息。具体步骤如下：
（1）、将微波发生器2信号输出端接入微波谐振器3，接着将信号通过悬臂梁4接入纳米探针5，纳米探针5通过电子线路同时具备微波发射和接收功能，该纳米探针一方面发射来自微波共振器的微波、一方面接收对样品扫描区域内被吸收后反射的微波；纳米探针5的微波输出端通过检波器和低频放大器连接示波器，如图2所示。
载物台6处设置一个由永磁铁7产生的稳恒磁场，在永磁铁外设置有调场线圈9，调场线圈9通过移相器8连接可调电源10。
载物台6中心固定有具有电子自旋性质的样品1，纳米探针5固定在悬臂梁4上，通过调节二维操作平台，使纳米探针针尖置于样品上方。
（2）、打开微波生成器2，纳米探针尖端发射微波扫频信号，通过调场线圈产生一个低频交变磁场，迭加到稳恒磁场上去，观察和调节共振现象，确定该样品所对应的微波场频率范围。
（3）、设置好微波场频率（不同的微波频率对应微波进入样品不同的深度），未放入样品时扫描将数据初始化后，将样品放置在载物台上；微波发生器输出微波后，先手动调整样品位置，接着探针在平台表面扫描，以确定样品边界；设置样品扫描区域及精确度后开始扫描，探针在扫描区域内进行移动，微波信号穿入样品内部，样品内部的电子吸收能量发生跃迁，信号返回探针并将反馈信号传送至数据采集端。
（4）、设置样品扫描区域及精确度后开始扫描，纳米探针在扫描区域内进行移动，微波信号穿入样品内部，样品内部的电子吸收能量发生跃迁，信号返回探针并将反馈信号传送至示波器。
（5）、示波器将数据输入fpga，对采集的信号进行数字滤波后进行处理分析，解算绘制解调图形，输出调整后的信号，在图形显示窗口显示波形微波吸收分布图谱，如图3所示。
（6）、通过观察微波的吸收峰，由此直观看出样品中发生电子自旋共振的位置，即获得样品中特定层面（不同的微波频率情况下的样品层面）的可自旋电子分布信息，进而得出样品内部结构。
本发明检测方法简便，精度高，而且消除了原子测量时的复杂性和不稳定性，提高了电子磁共振的信噪比。实现对共振信号的检测，以达到定位自旋电子位置的检测，从而确定样品的结构，去除了探针与样品接触产生的损耗。
以上仅为本发明的具体实施例，但并不局限于此。任何以本发明为基础解决基本相同的技术问题，或实现基本相同的技术效果，所作出地简单变化、等同替换或者修饰等，均属于本发明的保护范围内。