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NV色心再立功！量子傳感探測靈敏度再獲提升
2022年09月01日 10:55:14
來源：化工儀器網 作者：羊舌木 點擊量：6790
為了提升NV色心對微波的響應，中國科學院院士、中國科學技術大學教授杜江峰研究團隊借鑒傳統外差測量的思路，提出了連續外差微波探測方法。
【化工儀器網 行業百態】微波在我們的生活和科學研究中無處不在，這種具有易于集聚成束、高度定向性以及直線傳播特性的電磁波，可以用來在無阻擋的視線自由空間傳輸高頻信號。微波頻率比一般的無線電波頻率高，通常也稱為“超高頻電磁波”。近年來，隨著軍用航天航空、5G技術、微信通信、醫學檢測、汽車電子等應用領域的蓬勃發展，微波技術引起頻譜寬、可靠性高、方向性好、波長短等優點，備受人們青睞。
在日常生活中，移動通信所使用的電磁波就屬于微波范疇，發展微波測量技術對于無線通信的發展有著重要價值。在科學研究中，實現對高頻微波的高靈敏測量能夠為高場高頻磁共振譜學、太赫茲成像甚至天文學觀測提供基礎支撐。利用從原理上革新的量子傳感技術能夠大大提升微波的測量靈敏度，這在過去的十幾年中得到廣泛研究和發展。
量子傳感器是一種根據量子力學規律、利用量子效應設計的、用于執行對系統被測量進行變換的物理裝置。目前，常見的量子傳感器包括里德堡原子、原子磁力計、超導量子干涉儀、金剛石NV色心等。其中，氮空位(NV)色心是金剛石中的一種發光點缺陷結構，有著卓越的光學特性和自旋極化特性，并且由于其獨特的載體穩定性和室溫大氣環境兼容性，可用作生物細胞的溫度傳感器，也可用于微波磁場的精密測量。提升其探測靈敏度是最重要的發展方向之一。
提升探測靈敏度最直接的途徑就是利用大量NV色心開展并行測量。由于單個NV色心的尺寸只有原子級，因此即使是毫米級芯片大小的金剛石也可以集成數以億萬計的NV色心。然而，隨著尺寸的增加，對所有的NV色心同步進行量子調控變得更加困難。
NV色心在激光的連續激發下會持續產生熒光，當空間中存在一個與NV色心能級共振的弱微波時，熒光亮度會下降，下降的幅度與微波幅度的平方成正比，也就是說當待測微波很弱時，熒光的響應極其微弱。為了提升NV色心對微波的響應，中國科學院院士、中國科學技術大學教授杜江峰研究團隊借鑒傳統外差測量的思路，提出了連續外差微波探測方法：引入一個稍強的輔助微波與被測微波干涉，產生拍頻振蕩，相應的NV熒光也會產生頻率為拍頻的振蕩，其振幅與待測微波幅度成正比，相當于用輔助微波“放大”了待測微波。
利用該方法，研究團隊在體積為0.04立方毫米包含2.8×1013個NV色心的金剛石量子傳感器上成功實現了單位時間靈敏度為8.9皮特斯拉的微波磁場測量，相比此前該體系實現的亞微特斯拉指標水平，測量靈敏度提升了近10萬倍。這種方法避免了復雜的同步量子操控，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，未來有望將測量靈敏度進一步提升至0.1皮特斯拉水平量級甚至更高。
這種以金剛石NV色心為電磁場傳感器開發了微波磁場測量系統，有著探測靈敏度高、空間分辨率高、工作頻率高，且對待測器件的微波進場無擾動等優點。該方案為金剛石量子傳感系統的小型化和芯片化奠定了基礎，甚至在未來5g或是更先進的領域有著十足的優勢，讓金剛石量子傳感器在無線通信、磁共振檢測等領域的實用化邁出了重要的一步。
(資料參考來源：光明日報)
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