超灵敏磁强计实现64%的信号功率增加 高密度NV中心的金刚石显著提高测量精度

　　磁强计是一种用来测量磁感应强度的传感器，用于测定地磁场的大小与方向，即测定航天器所在处地磁场强度矢量在本体系中的分量，其在工业、农业、交通运输、国防、航空航天、海洋、气象、医疗卫生等领域均有广泛应用。
 

　　在地质勘探领域，磁强计能够用于地磁场变化监测和地质年代检测；在医疗卫生领域，磁强计常被用来检测人体磁场并辅助疾病诊断；在国防上，磁强计可以应用在磁性扫雷、炸弹探测、磁波通讯、磁探针和磁导航；在外层空间探测中，磁强计被用来进行天体运行、演变的磁场检测。磁强计还能够在卫星姿态测控中测量空间磁场来提供卫星姿态信息。
 

　　金刚石中的氮—空位(NV)中心是由一个氮原子和一个碳空位组成的原子系统。由于这些原子级NV中心的光度取决于外部磁场的强度，因此它们可用于高空间分辨率的微磁场测量。并且由于材料特性，具有高密度NV中心的金刚石在用作激光介质时可显著提高测量精度。
 

　　NV中心已被用于量子磁传感，但信号一直是自发发射而不是受激发射或激光输出。近日，德国弗劳恩霍夫应用固体物理研究所的研究人员成功制造出具有高密度NV中心的金刚石，进而研发高精细的NV激光腔，首次通过实验验证了激光阈值磁强计的理论原理。
 

　　研究团队通过化学气相沉积(CVD)工艺在金刚石生长中实现了高水平的氮掺杂，并使用电子束和热处理，在后处理中使NV密度增加了20—70倍。在表征过程中，他们优化了3个关键因素：高NV密度、通过高通量辐照实现取代氮的高转化率和高电荷稳定性，从而成功生产出具有高密度NV中心的高质量CVD金刚石。
 

　　研究人员不仅通过受激发射实现了64%的信号功率增加，还创造了一项纪录：与磁场相关的发射显示出33%的对比度和毫瓦(mW)范围内的最大输出功率。该研究将为进一步开发用于室温和现有背景场下的高灵敏度磁场传感器铺平道路。相关成果发表在近日的《科学进展》杂志上。
 

　　(资料来源：科技日报)