中国科大实现高频微波磁场的高灵敏度量子传感

中国科学技术大学中科院微观磁共振重点实验室杜江峰、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。该项研究成果以“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研究中无处不在。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；科学研究中，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，在过去的十几年中得到了广泛的研究和发展。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，本工作研究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，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（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，研究团队在体积为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研究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研究员为共同通讯作者。该研究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。