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。