способ проверки подлинности объектов защиты с использованием наноразмерных меток

Формула изобретения

1. Способ оптической люминесцентной проверки подлинности объектов защиты, имеющих введенные в них наноразмерные квантовые метки в виде нанокристалла алмаза с активным NV-центром, заключающийся в том, что объект защиты одновременно облучают по меньшей мере двумя электромагнитными полями разных частотных диапазонов и регистрируют сигналы изменения люминесценции с использованием фотоприемника.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что электромагнитное поле одного из частотных диапазонов является СВЧ-полем.

3. Способ по п.2, отличающийся тем, что частота облучения указанным СВЧ-полем равна 2,87 ГГц.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области защиты ценных бумаг, документов и изделий. В изобретении для защиты документов, ценных бумаг и изделий предлагаются методы регистрации наноразмерных меток, основанные на квантовых свойствах взаимодействия меток с электромагнитными полями.

В последние годы развитие вычислительной техники внесло вклад в создание современных спектроскопических комплексов. Такие комплексы позволяют в автоматическом режиме проводить исследование люминесцентных свойств объектов в широком спектральном диапазоне. В частности, это относится к возможности выявления существующих оптических средств защиты ценных бумаг и документов, которые в большинстве случаев используют традиционные красители и люминофоры, которые, будучи выявленными, могут быть использованы для изготовления контрафактных копий защищаемых объектов.

Последнее время активно ведется поиск способов реализации квантовых вычислений. Для решения этой задачи необходим физический объект, в котором, во-первых, возможно создание относительно долгоживущего суперпозиционного состояния, являющегося квантовым носителем информации - кубитом, а во-вторых, возможны запись и считывание этого состояния фотоном. В принципе, кубит можно записать в любой квантовой двухуровневой системе. Однако ни один из множества опробованных объектов: спиновых состояний атомов, квантовых точек, сверхпроводящих цепей, ионов в ловушках, - не обладает достаточной простотой и надежностью для практических применений. Причины различны: в одних случаях это связано с малыми временами продольной и поперечной релаксации, в других - с низкой стабильностью рассматриваемых систем или со сложностью управления их состоянием.

Только с открытием активных NV центров [F.Jelezko, J.Wrachtrup, Single defect centres in diamond: A review, Phys. stat. sol. (a) 203, No.13, 3207-3225(2006), Д1] в кристаллах алмаза появился практически значимый вариант реализации кубитов. В основном состоянии этих центров возможно создание когерентных суперпозиций квантовых состояний, а разрешенный оптический дипольный переход позволяет опрашивать эти состояния фотонами. Перспектива применения NV центров в нанокристаллах алмаза в качестве уникальных меток в целях защиты объектов определяется сочетанием их специфических квантовых свойств (интерференция волновых функций различных состояний) с фотостабильностью при комнатной температуре и высокой прочностью матрицы.

Использование в средствах защиты способов, основанных на тонкой структуре уровней специальных меток и на свойствах когерентности квантовых состояний, возбуждаемых зондирующими полями, крайне затрудняет несанкционированное выявление характеристик средств защиты с помощью обычных спектрофотометров.

Поясним это на примере NV центров. Такой центр состоит из атома азота, замещающего один атом углерода в кристаллической решетке алмаза, и соседствующей с ним вакансии (фиг.1). На фиг.2 приведены (не в масштабе) уровни энергии NV центра. Группа ³E уровней может быть возбуждена лазерным излучением с длиной волны короче 637 нм. При этом названная группа уровней связана оптически разрешенным переходом с основным уровнем. Переход на основной уровень сопровождается излучением с длинами волн, лежащими в диапазоне 600-800 нм. Форма спектра излучения не имеет ярко выраженных особенностей и сравнительно легко может быть воспроизведена одним люминофором или комбинацией нескольких. Однако никакие люминофоры не воспроизведут изменение сигнала люминесценции, вызванное одновременным с оптическим возбуждением воздействием СВЧ поля определенной частоты. Помимо сказанного, дополнительным фактором, повышающим защищенность объектов, может стать возможность использования магнитных и электрических полей для управления характеристиками регистрируемого излучения. Как сам спектр люминесценции, так и его характерные вариации под воздействием СВЧ поля служат диагностическими признаками для решаемой задачи защиты.

В качестве аналога предлагаемого изобретения может быть выбран, например, патент RU 2022300 (Д2), где в объект защиты наносят опознавательный знак на основе люминесцирующего вещества, облучают его стимулирующим излучением и регистрируют излучение люминесценции, по которому осуществляют распознавание объекта.

Проверка подлинности объекта защиты производится оптическими методами, подразумевающими наличие определенного источника оптического возбуждения, в том числе с узким спектром, и фотоприемного устройства, настроенного на определенную длину волны или на определенный набор длин волн. В простейшем случае это может быть лазер со специальным образом подобранной длиной волны излучения и фотоприемник с интерференционным фильтром и/или фильтрами из цветного стекла. Лазер облучает объект защиты, а фотоприемник регистрирует сигнал люминесценции и его изменения под действием дополнительного высокочастотного поля.

Уровни ³A и ³E NV центра (фиг.2) связаны разрешенным оптическим переходом (двойная стрелка). Каждый из них имеет расщепление, соответствующее кванту энергии СВЧ диапазона. Возможен как излучательный переход возбужденного состояния ³A с возвратом на уровень ³E, так и безызлучательный распад через промежуточный уровень ¹A. Последний из каналов релаксации обладает селективностью по магнитным подуровням, что приводит к изменению распределения населенностей по магнитным подуровням основного состояния. Изменение населенностей вызывает соответствующее изменение поглощения и сигнала люминесценции.

На фиг.3 приведена зависимость интенсивности люминесценции от частоты одновременно приложенного СВЧ поля. На частоте 2,87 ГГц можно отметить 25% уменьшение сигнала люминесценции. Указанная частота соответствует величине расщепления подуровней нижнего уровня энергии NV центра. Наложение СВЧ сигнала приводит к перемешиванию населенностей по подуровням нижнего уровня энергии. При использовании классических люминофоров воспроизвести такое изменении люминесценции при приложение СВЧ поля невозможно. Отсюда следует, что особенности спектральных и временных характеристик люминесценции NV центра проявляются только при одновременном возбуждении несколькими электромагнитными полями разных частотных диапазонов.

Поскольку NV центр обладает как электрическим, так и магнитным дипольными моментами, наложение электрического или магнитного поля приводит к сдвигу частоты двойного резонанса, что может быть использовано для дальнейшей модификации способа защиты.