磁測量是推動人類社會發展不可或缺的技術之一。近年來，以高探測靈敏度、高空間分辨率等關鍵指標作為牽引，多種量子體系被用于精密磁測量技術發展，金剛石氮-空位（NV）色心固態自旋體系就是其中之一。
據麥姆斯咨詢報道，針對該領域研究，中國科學技術大學杜江峰教授團隊在《計測技術》期刊上發表了題為“基于金剛石氮-空位色心的磁測量技術”的綜述文章，簡述了NV色心體系的精密磁測量技術及其應用研究；介紹了基于金剛石NV色心自旋體系磁測量的原理和優勢，基于該體系的磁測量方法研究工作，以及面向材料成像和生命科學等領域開展的研究工作；指出了未來基于金剛石NV色心體系的精密磁測量技術有望發展新型矢量高靈敏度、高空間分辨率磁測量裝備，為更多研究領域譬如地磁測繪、工業無損檢測等重大應用提供新的支撐。
基于金剛石NV色心的磁測量原理
基于金剛石NV色心的磁測量基本原理為塞曼效應。當磁場發生變化時，NV色心電子基態塞曼分裂能級差的改變會對NV色心電子的自旋態產生影響。通過對NV色心進行光學讀出，根據依賴于NV色心電子自旋態的熒光強度就可以反推得到磁場的變化量，從而完成磁測量。根據激發光和操控場在時域上的連續性，基于NV色心的磁測量方法可以分為連續波（CW）磁測量方法和脈沖（Pulsed）磁測量方法。
圖1 NV色心連續波磁測量方法原理示意圖
圖2 常用NV色心脈沖磁測量方法實驗序列示意圖
NV色心磁測量應用中的關鍵技術
實現基于金剛石NV色心的磁測量首先要搭建光探測磁共振（ODMR）實驗系統。完整的ODMR實驗系統主要包括：包含NV色心的金剛石敏感單元；用于金剛石樣品激發和熒光收集的光學單元；操控NV色心電子自旋態的微波單元；系統整體控制與讀出的電子學單元。除搭建系統所需的商用部件外，提升NV色心磁測量系統性能還需發展的關鍵技術包括：樣品制備技術、高效光學激發技術、高效熒光收集技術以及微波天線設計技術等。
圖3 常用人造金剛石合成方法原理示意圖
圖4 提升金剛石NV色心樣品激發效率的方法
圖5 提升熒光收集效率的方案
圖6 用于ODMR實驗的微波天線
基于NV色心磁測量技術的發展與應用
NV色心作為一種高空間分辨率、高靈敏度的量子傳感器，目前已經在物理學、生物醫藥學、材料科學等領域開展了應用研究。
圖7 基于NV色心無微波陽光驅動磁強計
圖8 基于NV色心的磁強計集成化方案
圖9 基于NV色心的寬場磁成像工作
圖10 基于NV色心磁測量技術的生命科學應用工作
研究展望
未來，基于NV色心的磁測量技術發展方向主要有兩方面：靈敏度的進一步提升；集成化與小型化發展。靈敏度的提升主要工作將集中在金剛石樣品性質優化和探測方法優化兩個方面。樣品的優化旨在提升NV色心的相干時間。從制備工藝上，可以減緩金剛石樣品生長速度，從而減少雜質引入以及其它自旋缺陷產生。同時采用同位素純化CVD方法，排除13C等同位素對NV色心弛豫造成的負面影響也是優化金剛石樣品的有效方法之一。探測方法的優化可以從激發、操控與讀出三方面入手，譬如：提升激發光利用效率，增加用于傳感的NV色心數目；設計高轉化效率、高均勻性微波輻射結構；提高熒光收集效率或發展新型非熒光讀出方法。
集成化與小型化發展是實現NV色心磁測量技術到實際生產生活中應用的必經之路。短期內基于印制電路板技術、高頻電路設計技術、模數混合電路設計技術、微波電路設計技術、硬件編程技術以及三維打印技術等，再結合現有可獲得的商用光學、電子學、激光元器件，可實現基于印制集成電路的小型化金剛石磁強計板級設計。從中長期來看，基于微機電制造工藝，將金剛石樣品與硅基器件乃至碳基器件結合，發展傳感讀出一體化的超高集成度小型化金剛石磁強計具有光明的前景。該磁強計可以被用于生物體內、高溫高壓等復雜環境的磁信號傳感。
論文信息：
DOI: 10.11823/j.issn.1674-5795.2023.04.02
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