中國科學技術大學中科院微觀磁共振重點實驗室杜江峰、石發展、孔飛等人在微波磁場測量領域取得重要進展，基于金剛石氮-空位（Nitrogen-Vacancy, NV）色心量子傳感器實現了皮特斯拉水平的高靈敏微波磁場測量。該項研究成果以“Picotesla magnetometry of microwave fields with diamond sensors”為題發表在《Science Advances》[Sci. Adv. 8, eabq8158 (2022)]上。

微波在人類生活和科學研究中無處不在。日常生活中，移動通信所使用的電磁波便屬于微波范疇，發展微波測量技術對無線通訊的發展有重要價值；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，在過去的十幾年中得到了廣泛的研究和發展。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定性和室溫大氣環境兼容性，成為極具發展前景的固態量子傳感器，提升探測靈敏度是最重要的發展方向之一。

圖1：測量方法示意圖。上圖為NV色心對共振微波的吸收。下圖為連續外差探測方法。

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，即使是毫米級芯片大小的金剛石中也可以集成數以億萬計的NV色心。但是隨著尺寸的增加，對所有的NV色心同步地進行量子調控變得更加困難。為此，本工作研究人員提出一種無需復雜量子調控的測量方案，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，是一個二階小量。為了提升NV色心對微波的響應，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（見圖1），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0.04mm³包含2.8*10¹³個NV色心的金剛石量子傳感器上成功實現了靈敏度為8.9pT Hz^-1/2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十萬倍。

圖2：對弱微波的測量。左圖為信號放大示意圖。右圖為實測強度為6.81pT的微波場，測量時間1000秒，信噪比為24.2，對應測量靈敏度為8.9pT Hz^-1/2。

該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100 fT Hz^-1/2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的小型化和芯片化奠定基礎。同時也向著金剛石量子傳感器在無線通信、磁共振檢測等領域的實用化邁出了重要的一步。

中科院微觀磁共振重點實驗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。該研究得到了國家自然科學基金委、科技部、中科院和安徽省的資助。

論文鏈接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abq8158

作者：中國科學技術大學