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2022年09月01日
【​中国科学报】近10万倍!量子传感探测灵敏度再获提升

本报讯(见习记者王敏)中国科学院院士、中国科学技术大学教授杜江峰等人,基于金刚石氮—空位(NV)色心量子传感器实现了皮特斯拉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10万倍。相关研究成果发表于《科学进展》。

目前,常见的量子传感器包括里德堡原子、原子磁力计、超导量子干涉仪、金刚石NV色心等。其中NV色心体系因独特的载体稳定性和室温大气环境兼容性,成为极具发展前景的固态量子传感器,而提升其探测灵敏度是最重要的发展方向之一。

提升灵敏度最直接的途径是利用大量NV色心开展并行测量。由于单个NV色心的尺寸只有原子级,因此即使是毫米级芯片大小的金刚石也可以集成数以亿万计的NV色心。但是随着尺寸的增加,对所有的NV色心同步进行量子调控变得更加困难。

因此,研究人员提出一种无需复杂量子调控的测量方案,大幅提高金刚石中NV色心的利用率。其基本原理是NV色心在激光的连续激发下会持续产生荧光。当空间中存在一个与NV色心能级共振的弱微波时,荧光亮度会下降,下降的幅度与微波幅度的平方成正比,也就是说当待测微波很弱时,荧光的响应极其微弱。

为提升NV色心对微波的响应,研究团队借鉴传统外差测量的思路,提出了连续外差微波探测方法:引入一个稍强的辅助微波与被测微波干涉,产生拍频振荡,相应的NV荧光也会产生频率为拍频的振荡,其振幅与待测微波幅度成正比,相当于用辅助微波“放大”了待测微波。

利用该方法,研究团队在体积为0.04立方毫米包含2.8×1013个NV色心的金刚石量子传感器上成功实现了单位时间灵敏度为8.9皮特斯拉的微波磁场测量,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10万倍。

该方法未来有望将测量灵敏度进一步提升至0.1皮特斯拉水平量级甚至更高。由于省去了与量子操控配套的硬件装置,该方案为金刚石量子传感系统的小型化和芯片化奠定基础。

相关论文信息:

https://doi.org/10.1126/sciadv.abq8158

《中国科学报》 (2022-08-30 第1版 要闻)

https://news.sciencenet.cn/sbhtmlnews/2022/8/370991.shtm

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