提高微波場檢測的靈敏度可以直接推動許多現(xiàn)代應用，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)色心因為其磁力靈敏度、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色心的磁力計在微波波段的靈敏度有限。

近日，中國科學技術大學中科院微觀磁共振重點實驗室杜江峰、石發(fā)展、孔飛等人基于NV色心量子傳感器實現(xiàn)了皮特斯拉(pT)水平的高靈敏微波磁場測量，相比此前該體系實現(xiàn)的亞微特斯拉指標水平，測量靈敏度提升了近十萬倍。8月10日，相關成果以《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《科學進展》期刊上[1]。

此次實驗中，團隊提出了“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弱微波的吸收：在532納米激光器的照射下，持續(xù)應用的參考微波會干擾信號微波，導致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)生隨時間變化的幅度，從而產(chǎn)生交流熒光信號。

實驗團隊在一個4×10-2mm3的有效傳感器體積內(nèi)對2.8×1013個NV色心集合進行了演示。結果顯示，在1000秒的總測量時間內(nèi)，可檢測到0.28pT的微波場，對應的靈敏度為8.9pT·Hz-1/2，相比此前該體系實現(xiàn)的亞微特斯拉指標水平，測量靈敏度提升了近十萬倍。值得注意的是，實驗過程中所需的參考微波強度僅為200nT，頻率分辨率為1/t，在t=10000s時為0.1mHz。這一方法適用于制造更大的金剛石傳感器，進一步提高靈敏度的同時，也極大地促進了其實際應用。

原理驗證圖示。（A）設置示意圖。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。藍線是實驗結果，微波(MW)場為365nT。(C)電壓V的時間軌跡連續(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。總測量時間為1000秒。測得的24.2信噪比（SNR）時對應于8.9pT·Hz-1/2的靈敏度，輔助微波場為220nT。

此次實驗中，團隊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，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的高靈敏度傳感器。除此之外，實驗組還將該方案應用于承載NV色心集合的金剛石，實現(xiàn)了0.28 pT的最小可檢測微波場和0.1 mHz的頻率分辨率。

這種金剛石設備可以在極端條件下工作，例如高溫或高壓環(huán)境；同時，得益于這一方案的簡單性，測量結果可以直接在更大的傳感器上重現(xiàn)，從而進一步提高靈敏度。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際應用鋪平了道路，例如雷達中的微波接收器、無線通信，甚至是射電望遠鏡等。

中科院微觀磁共振重點實驗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基金委、科技部、中科院和安徽省的資助[2]。

參考文獻：

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

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