日前，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)中科院微觀磁共振重點實驗室杜江峰、石發(fā)展、孔飛等人在微波磁場測量領(lǐng)域取得重要進(jìn)展，基于金剛石氮-空位色心量子傳感器實現(xiàn)了皮特斯拉水平的高靈敏微波磁場測量，相比此前該體系實現(xiàn)的亞微特斯拉指標(biāo)水平，測量靈敏度提升了近十萬倍。相關(guān)研究成果發(fā)表于《科學(xué)進(jìn)展》。

　　微波在人類生活和科學(xué)研究中無處不在。日常生活中，移動通信所使用的電磁波便屬于微波范疇，發(fā)展微波測量技術(shù)對無線通信的發(fā)展有重要價值�？茖W(xué)研究中，實現(xiàn)對高頻微波的高靈敏測量能夠為高場高頻磁共振譜學(xué)、太赫茲成像甚至天文學(xué)觀測提供基礎(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量靈敏度，這在過去的十幾年中得到廣泛研究和發(fā)展。目前，常見的量子傳感器包括里德堡原子、原子磁力計、超導(dǎo)量子干涉儀、金剛石NV色心等。其中NV色心體系因獨特的載體穩(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，提升探測靈敏度是最重要的發(fā)展方向之一。

　　提升靈敏度最直接的途徑是利用大量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中也可以集成數(shù)以億萬計的NV色心。但是隨著尺寸的增加，對所有的NV色心同步地進(jìn)行量子調(diào)控變得更加困難。

　　因此，研究人員提出一種無須復(fù)雜量子調(diào)控的測量方案，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)下會持續(xù)產(chǎn)生熒光，當(dāng)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，下降幅度與微波幅度的平方成正比，也就是說當(dāng)待測微波很弱時，熒光的響應(yīng)極其微弱。

　　為提升NV色心對微波的響應(yīng)，研究團隊借鑒傳統(tǒng)外差測量的思路，提出了連續(xù)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(chǎn)生拍頻振蕩，相應(yīng)的NV熒光也會產(chǎn)生頻率為拍頻振蕩，其振幅與待測微波幅度成正比，相當(dāng)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(xiàn)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(xiàn)的亞微特斯拉指標(biāo)水平，測量靈敏度提升了近十萬倍。

　　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，未來有望將測量靈敏度進(jìn)一步提升至0.1皮特斯拉水平量級甚至更高。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)。同時也向著金剛石量子傳感器在無線通信、磁共振檢測等領(lǐng)域的實用化邁出重要一步。(丁一鳴 王敏)