灵敏度提升近十万倍！中国科大实现皮特斯拉级NV色心量子传感器

提高微波场检测的灵敏度可以直接推动许多现代应用，例如无线通信、电子顺磁共振(electron paramagnetic resonance，EPR)、高场核磁共振，甚至包括天文观测。金刚石中的氮空位(NV)色心因为其磁力灵敏度、稳定性和与环境条件的兼容性而成为此类用途的最有潜力的候选者。然而，现有的基于NV色心的磁力计在微波波段的灵敏度有限。

近日，中国科学技术大学中科院微观磁共振重点实验室杜江峰、石发展、孔飞等人基于NV色心量子传感器实现了皮特斯拉(pT)水平的高灵敏微波磁场测量，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十万倍。8月10日，相关成果以《带有金刚石传感器的微波场皮特斯拉磁力测量》为题，发表在《科学进展》期刊上[1]。

此次实验中，团队提出了“连续外差探测方法”，通过引入适度的和略微失谐的参考微波来增强弱微波的吸收：在532纳米激光器的照射下，持续应用的参考微波会干扰信号微波，导致NV光致发光（photoluminescence）的振荡。

“连续外差探测方法”的基本原理。(A)NV色心的简化能级。共振微波解决了∣0⟩↔∣1⟩的自旋跃迁。(B)不同大小的微波驱动的NV色心的演化。对于强微波，自旋态在∣0⟩和∣1⟩之间呈现拉比振荡，频率Ω与微波幅度成正比；对于弱微波，振荡以与微波幅度的平方成比例的速率衰减：指数衰减。(C和D)直接和外差检测的比较。对于直接检测(C)，恒定的微波幅度会产生直流荧光信号；对于外差检测(D)，微波干扰会产生随时间变化的幅度，从而产生交流荧光信号。

实验团队在一个4×10^-2mm³的有效传感器体积内对2.8×10¹³个NV色心集合进行了演示。结果显示，在1000秒的总测量时间内，可检测到0.28pT的微波场，对应的灵敏度为8.9pT·Hz^-1/2，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十万倍。值得注意的是，实验过程中所需的参考微波强度仅为200nT，频率分辨率为1/t，在t=10000s时为0.1mHz。这一方法适用于制造更大的金刚石传感器，进一步提高灵敏度的同时，也极大地促进了其实际应用。

原理验证图示。（A）设置示意图。两种微波均由直径为5毫米的环形天线辐射，该天线与金刚石表面平行。(B)NV色心的光探测磁共振（ODMR）图。蓝线是实验结果，微波(MW)场为365nT。(C)电压V的时间轨迹连续激光和脉冲微波。（D）金刚石传感器的动态范围。

灵敏度测量基准。总测量时间为1000秒。测得的24.2信噪比（SNR）时对应于8.9pT·Hz^-1/2的灵敏度，辅助微波场为220nT。

此次实验中，团队通过引入适度的辅助微波显着改善了NV色心对弱场的响应，证明了即使在没有自旋控制的情况下，NV色心也可以用作微波磁力计的高灵敏度传感器。除此之外，实验组还将该方案应用于承载NV色心集合的金刚石，实现了0.28 pT的最小可检测微波场和0.1 mHz的频率分辨率。

这种金刚石设备可以在极端条件下工作，例如高温或高压环境；同时，得益于这一方案的简单性，测量结果可以直接在更大的传感器上重现，从而进一步提高灵敏度。例如，如果钻石具有与光电二极管相似的尺寸（~10mm x 10mm x 1mm），那么灵敏度可以直接提升到飞特斯拉（1PT = 1e+30fT）级别。因此，这一工作为金刚石传感器的实际应用铺平了道路，例如雷达中的微波接收器、无线通信，甚至是射电望远镜等。

中科院微观磁共振重点实验室博士研究生王哲成为该论文的第一作者，杜江峰院士、石发展教授和孔飞特任研究员为共同通讯作者。该研究得到了国家自然科学基金委、科技部、中科院和安徽省的资助[2]。

参考文献：

[1]https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abq8158

[2]http://www.quantumcas.ac.cn/2022/0818/c20525a564236/page.htm