提高微波場檢測的靈敏度可以直接推動許多現(xiàn)代應(yīng)用，例如無線通信、電子順磁共振(electron paramagnetic resonance，EPR)、高場核磁共振，甚至包括天文觀測。金剛石中的氮空位(NV)色心因?yàn)槠浯帕`敏度、穩(wěn)定性和與環(huán)境條件的兼容性而成為此類用途的最有潛力的候選者。然而，現(xiàn)有的基于NV色心的磁力計(jì)在微波波段的靈敏度有限。
近日，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)中科院微觀磁共振重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室杜江峰、石發(fā)展、孔飛等人基于NV色心量子傳感器實(shí)現(xiàn)了皮特斯拉(pT)水平的高靈敏微波磁場測量，相比此前該體系實(shí)現(xiàn)的亞微特斯拉指標(biāo)水平，測量靈敏度提升了近十萬倍。8月10日，相關(guān)成果以《帶有金剛石傳感器的微波場皮特斯拉磁力測量》為題，發(fā)表在《科學(xué)進(jìn)展》期刊上[1]。
此次實(shí)驗(yàn)中，團(tuán)隊(duì)提出了“連續(xù)外差探測方法”，通過引入適度的和略微失諧的參考微波來增強(qiáng)弱微波的吸收：在532納米激光器的照射下，持續(xù)應(yīng)用的參考微波會干擾信號微波，導(dǎo)致NV光致發(fā)光（photoluminescence）的振蕩。
“連續(xù)外差探測方法”的基本原理。(A)NV色心的簡化能級。共振微波解決了∣0??∣1?的自旋躍遷。(B)不同大小的微波驅(qū)動的NV色心的演化。對于強(qiáng)微波，自旋態(tài)在∣0?和∣1?之間呈現(xiàn)拉比振蕩，頻率Ω與微波幅度成正比；對于弱微波，振蕩以與微波幅度的平方成比例的速率衰減：指數(shù)衰減。(C和D)直接和外差檢測的比較。對于直接檢測(C)，恒定的微波幅度會產(chǎn)生直流熒光信號；對于外差檢測(D)，微波干擾會產(chǎn)生隨時(shí)間變化的幅度，從而產(chǎn)生交流熒光信號。
實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)在一個(gè)4×10-2mm3的有效傳感器體積內(nèi)對2.8×1013個(gè)NV色心集合進(jìn)行了演示。結(jié)果顯示，在1000秒的總測量時(shí)間內(nèi)，可檢測到0.28pT的微波場，對應(yīng)的靈敏度為8.9pT·Hz-1/2，相比此前該體系實(shí)現(xiàn)的亞微特斯拉指標(biāo)水平，測量靈敏度提升了近十萬倍。值得注意的是，實(shí)驗(yàn)過程中所需的參考微波強(qiáng)度僅為200nT，頻率分辨率為1/t，在t=10000s時(shí)為0.1mHz。這一方法適用于制造更大的金剛石傳感器，進(jìn)一步提高靈敏度的同時(shí)，也極大地促進(jìn)了其實(shí)際應(yīng)用。
原理驗(yàn)證圖示。（A）設(shè)置示意圖。兩種微波均由直徑為5毫米的環(huán)形天線輻射，該天線與金剛石表面平行。(B)NV色心的光探測磁共振（ODMR）圖。藍(lán)線是實(shí)驗(yàn)結(jié)果，微波(MW)場為365nT。(C)電壓V的時(shí)間軌跡連續(xù)激光和脈沖微波。（D）金剛石傳感器的動態(tài)范圍。
靈敏度測量基準(zhǔn)。總測量時(shí)間為1000秒。測得的24.2信噪比（SNR）時(shí)對應(yīng)于8.9pT·Hz-1/2的靈敏度，輔助微波場為220nT。
此次實(shí)驗(yàn)中，團(tuán)隊(duì)通過引入適度的輔助微波顯著改善了NV色心對弱場的響應(yīng)，證明了即使在沒有自旋控制的情況下，NV色心也可以用作微波磁力計(jì)的高靈敏度傳感器。除此之外，實(shí)驗(yàn)組還將該方案應(yīng)用于承載NV色心集合的金剛石，實(shí)現(xiàn)了0.28 pT的最小可檢測微波場和0.1 mHz的頻率分辨率。
這種金剛石設(shè)備可以在極端條件下工作，例如高溫或高壓環(huán)境；同時(shí)，得益于這一方案的簡單性，測量結(jié)果可以直接在更大的傳感器上重現(xiàn)，從而進(jìn)一步提高靈敏度。例如，如果鉆石具有與光電二極管相似的尺寸（~10mm x 10mm x 1mm），那么靈敏度可以直接提升到飛特斯拉（1PT = 1e+30fT）級別。因此，這一工作為金剛石傳感器的實(shí)際應(yīng)用鋪平了道路，例如雷達(dá)中的微波接收器、無線通信，甚至是射電望遠(yuǎn)鏡等。
中科院微觀磁共振重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室博士研究生王哲成為該論文的第一作者，杜江峰院士、石發(fā)展教授和孔飛特任研究員為共同通訊作者。該研究得到了國家自然科學(xué)基金委、科技部、中科院和安徽省的資助[2]。
參考文獻(xiàn)：
[1]https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abq8158
[2]http://www.quantumcas.ac.cn/2022/0818/c20525a564236/page.htm
