中國(guó)科大實(shí)現(xiàn)高頻微波磁場(chǎng)的高靈敏度量子傳感

中國(guó)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、孔飛等人在微波磁場(chǎng)測(cè)量領(lǐng)域取得重要進(jìn)展，基于金剛石氮-空位（Nitrogen-Vacancy, NV）色心量子傳感器實(shí)現(xiàn)了皮特斯拉水平的高靈敏微波磁場(chǎng)測(cè)量。該項(xiàng)研究成果以“Picotesla magnetometry of microwave fields with diamond sensors”為題發(fā)表在《Science Advances》[Sci. Adv. 8, eabq8158 (2022)]上。

微波在人類(lèi)生活和科學(xué)研究中無(wú)處不在。日常生活中，移動(dòng)通信所使用的電磁波便屬于微波范疇，發(fā)展微波測(cè)量技術(shù)對(duì)無(wú)線(xiàn)通訊的發(fā)展有重要價(jià)值；科學(xué)研究中，實(shí)現(xiàn)對(duì)高頻微波的高靈敏測(cè)量能夠?yàn)楦邎?chǎng)高頻磁共振譜學(xué)、太赫茲成像、甚至天文學(xué)觀測(cè)提供基礎(chǔ)支撐。利用從原理上革新的量子傳感技術(shù)能夠大大提升微波的測(cè)量靈敏度，在過(guò)去的十幾年中得到了廣泛的研究和發(fā)展。目前，常見(jiàn)的量子傳感器包括里德堡原子、原子磁力計(jì)、超導(dǎo)量子干涉儀、金剛石NV色心等。其中NV色心體系因獨(dú)特的載體穩(wěn)定性和室溫大氣環(huán)境兼容性，成為極具發(fā)展前景的固態(tài)量子傳感器，提升探測(cè)靈敏度是最重要的發(fā)展方向之一。

圖1：測(cè)量方法示意圖。上圖為NV色心對(duì)共振微波的吸收。下圖為連續(xù)外差探測(cè)方法。

提升靈敏度最直接的途徑是利用大量NV色心開(kāi)展并行測(cè)量。由于單個(gè)NV色心的尺寸只有原子級(jí)，即使是毫米級(jí)芯片大小的金剛石中也可以集成數(shù)以?xún)|萬(wàn)計(jì)的NV色心。但是隨著尺寸的增加，對(duì)所有的NV色心同步地進(jìn)行量子調(diào)控變得更加困難。為此，本工作研究人員提出一種無(wú)需復(fù)雜量子調(diào)控的測(cè)量方案，可以大幅地提高金剛石中NV色心的利用率。其基本原理是NV色心在激光的連續(xù)激發(fā)下會(huì)持續(xù)產(chǎn)生熒光。當(dāng)空間中存在一個(gè)與NV色心能級(jí)共振的弱微波時(shí)，熒光亮度會(huì)下降，下降的幅度與微波幅度的平方成正比，是一個(gè)二階小量。為了提升NV色心對(duì)微波的響應(yīng)，研究團(tuán)隊(duì)借鑒傳統(tǒng)外差測(cè)量的思路，提出了連續(xù)外差微波探測(cè)方法：引入一個(gè)稍強(qiáng)的輔助微波與被測(cè)微波干涉，產(chǎn)生拍頻振蕩，相應(yīng)的NV熒光也會(huì)產(chǎn)生頻率為拍頻的振蕩（見(jiàn)圖1），其振幅與待測(cè)微波幅度成正比。相當(dāng)于用輔助微波“放大”了待測(cè)微波。利用該方法，研究團(tuán)隊(duì)在體積為0.04mm3包含2.8*1013個(gè)NV色心的金剛石量子傳感器上成功實(shí)現(xiàn)了靈敏度為8.9pT Hz-1/2的微波磁場(chǎng)測(cè)量，相比此前該體系實(shí)現(xiàn)的亞微特斯拉指標(biāo)水平，測(cè)量靈敏度提升了近十萬(wàn)倍。

圖2：對(duì)弱微波的測(cè)量。左圖為信號(hào)放大示意圖。右圖為實(shí)測(cè)強(qiáng)度為6.81pT的微波場(chǎng)，測(cè)量時(shí)間1000秒，信噪比為24.2，對(duì)應(yīng)測(cè)量靈敏度為8.9pT Hz-1/2。

該方法避免了復(fù)雜的同步量子操控，可以直接推廣到包含更多NV色心的更大體積的金剛石量子傳感器上，未來(lái)有望將測(cè)量靈敏度進(jìn)一步提升至100 fT Hz-1/2量級(jí)甚至更高。由于省去了與量子操控配套的硬件裝置，該方案為金剛石量子傳感系統(tǒng)的小型化和芯片化奠定基礎(chǔ)。同時(shí)也向著金剛石量子傳感器在無(wú)線(xiàn)通信、磁共振檢測(cè)等領(lǐng)域的實(shí)用化邁出了重要的一步。

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(guó)家自然科學(xué)基金委、科技部、中科院和安徽省的資助。