新闻中心

我院杜江峰、石发展、孔飞等人实现高频微波磁场的高灵敏度量子传感 [2022-08-17]

我院杜江峰、石发展、孔飞等人在微波磁场测量领域取得重要进展,基于金刚石氮-空位(Nitrogen-Vacancy, 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。该项必发bifa最新版本成果以“Picotesla magnetometry of microwave fields with diamond sensors”为题发表在《Science Advances》[Sci. Adv. 8, eabq8158 (2022)]上。

微波在人类生活和科学必发bifa最新版本中无处不在。日常生活中,移动通信所使用的电磁波便属于微波范畴,发展微波测量技术对无线通讯的发展有重要价值;科学必发bifa最新版本中,实现对高频微波的高灵敏测量能够为高场高频磁共振谱学、太赫兹成像、甚至天文学观测提供基础支撑。利用从原理上革新的量子传感技术能够大大提升微波的测量灵敏度,在过去的十几必发888登录入口中得到了广泛的必发bifa最新版本和发展。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,提升探测灵敏度是最重要的发展方向之一。

图1:测量方法示意图。上图为NV色心对共振微波的吸收。下图为连续外差探测方法。

 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,即使是毫米级芯片大小的金刚石中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色心同步地进行量子调控变得更加困难。为此,本工作必发bifa最新版本人员提出一种无需复杂量子调控的测量方案,可以大幅地提高金刚石中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,是一个二阶小量。为了提升NV色心对微波的响应,必发bifa最新版本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(见图1),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,必发bifa最新版本团队在体积为0.04mm3包含2.8*1013个NV色心的金刚石量子传感器上成功实现了灵敏度为8.9pT Hz-1/2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十万倍。

图2:对弱微波的测量。左图为信号放大示意图。右图为实测强度为6.81pT的微波场,测量时间1000秒,信噪比为24.2,对应测量灵敏度为8.9pT Hz-1/2

 该方法避免了复杂的同步量子操控,可以直接推广到包含更多NV色心的更大体积的金刚石量子传感器上,未来有望将测量灵敏度进一步提升至100 fT Hz-1/2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。同时也向着金刚石量子传感器在无线通信、磁共振检测等领域的实用化迈出了重要的一步。

中科院微观磁共振重点实验室博士必发bifa最新版本生王哲成为该论文的第一作者,杜江峰院士、石发展教授和孔飞特任必发bifa最新版本员为共同通讯作者。该必发bifa最新版本得到了国家自然科学基金委、科技部、中科院和安徽省的资助。

 论文链接:https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abq8158


(中科院微观磁共振重点实验室、物理必发bifa最新版本、中科院量子信息与量子科技创新必发bifa最新版本院、科研部)