NV色心再立功！量子传感探测灵敏度再获提升

　　微波在我们的生活和科学研究中无处不在，这种具有易于集聚成束、高度定向性以及直线传播特性的电磁波，可以用来在无阻挡的视线自由空间传输高频信号。微波频率比一般的无线电波频率高，通常也称为“超高频电磁波”。近年来，随着军用航天航空、5G技术、微信通信、医学检测、汽车电子等应用领域的蓬勃发展，微波技术引起频谱宽、可靠性高、方向性好、波长短等优点，备受人们青睐。
 

　　在日常生活中，移动通信所使用的电磁波就属于微波范畴，发展微波测量技术对于无线通信的发展有着重要价值。在科学研究中，实现对高频微波的高灵敏测量能够为高场高频磁共振谱学、太赫兹成像甚至天文学观测提供基础支撑。利用从原理上革新的量子传感技术能够大大提升微波的测量灵敏度，这在过去的十几年中得到广泛研究和发展。
 

　　量子传感器是一种根据量子力学规律、利用量子效应设计的、用于执行对系统被测量进行变换的物理装置。目前，常见的量子传感器包括里德堡原子、原子磁力计、超导量子干涉仪、金刚石NV色心等。其中，氮空位(NV)色心是金刚石中的一种发光点缺陷结构，有着卓越的光学特性和自旋极化特性，并且由于其独特的载体稳定性和室温大气环境兼容性，可用作生物细胞的温度传感器，也可用于微波磁场的精密测量。提升其探测灵敏度是最重要的发展方向之一。
 

　　提升探测灵敏度最直接的途径就是利用大量NV色心开展并行测量。由于单个NV色心的尺寸只有原子级，因此即使是毫米级芯片大小的金刚石也可以集成数以亿万计的NV色心。然而，随着尺寸的增加，对所有的NV色心同步进行量子调控变得更加困难。
 

　　NV色心在激光的连续激发下会持续产生荧光，当空间中存在一个与NV色心能级共振的弱微波时，荧光亮度会下降，下降的幅度与微波幅度的平方成正比，也就是说当待测微波很弱时，荧光的响应极其微弱。为了提升NV色心对微波的响应，中国科学院院士、中国科学技术大学教授杜江峰研究团队借鉴传统外差测量的思路，提出了连续外差微波探测方法：引入一个稍强的辅助微波与被测微波干涉，产生拍频振荡，相应的NV荧光也会产生频率为拍频的振荡，其振幅与待测微波幅度成正比，相当于用辅助微波“放大”了待测微波。
 

　　利用该方法，研究团队在体积为0.04立方毫米包含2.8×1013个NV色心的金刚石量子传感器上成功实现了单位时间灵敏度为8.9皮特斯拉的微波磁场测量，相比此前该体系实现的亚微特斯拉指标水平，测量灵敏度提升了近10万倍。这种方法避免了复杂的同步量子操控，可以直接推广到包含更多NV色心的更大体积的金刚石量子传感器上，未来有望将测量灵敏度进一步提升至0.1皮特斯拉水平量级甚至更高。
 

　　这种以金刚石NV色心为电磁场传感器开发了微波磁场测量系统，有着探测灵敏度高、空间分辨率高、工作频率高，且对待测器件的微波进场无扰动等优点。该方案为金刚石量子传感系统的小型化和芯片化奠定了基础，甚至在未来5g或是更先进的领域有着十足的优势，让金刚石量子传感器在无线通信、磁共振检测等领域的实用化迈出了重要的一步。
 

　　(资料参考来源：光明日报)
 

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