自带“钻石buff”，探索微观世界的“量子之尺”！

出品：科普中国

作者：栾春阳（清华大学物理系博士）

监制：中国科普博览

磁场是一个人人都熟悉的概念，我们身处的地球磁场、矿藏勘探中的地质磁学，甚至是生物医学中的磁成像技术，都需要对磁场进行精密测量。

然而，原本就很微弱的磁场信息在测量过程中又容易受到干扰，极大地降低了磁场测量的精度，因此要精确测定磁场相关数值极为困难。

地磁场

（图片来源：veer图库）

精密磁测量方案——基于磁共振效应的尺子

常用的精密磁测量方案是利用磁共振效应来探测具有一定频率的交变磁场。具体而言，磁共振效应是指在固体材料中，当外加磁场的变化频率满足特定条件时，固定材料内部的磁性微观粒子能够与频率变化的磁场发生共振吸收的现象。

为了更加形象直观地理解磁共振效应，我们可以把磁共振效应想象成一种特殊的“舞蹈节拍”。当固定材料内部的磁性微观粒子被放置在一个恒定的外界磁场中时，它们就会像跳舞一样各自随机旋转。但是如果这个外界磁场随着某个特定的频率开始变化，就好比给了它们一个舞蹈节拍，磁性微观粒子就会按照这个频率更加协调地“舞动”。

磁性微观粒子与外界磁场发生磁共振的示意图

（图片来源：AI生成）

因此，科学家们就可以利用上述这种奇妙的磁共振性质，来对外界磁场的细微变化进行精密测量，这也就是磁测量的基本原理。基于磁共振效应发展而来的磁场精密测量方案具有快速、准确和非破坏性等独特优势，已广泛应用于生产和生活中。

通常而言，根据磁场测量对象的尺度不同，磁共振测量可以大致划分为“宏观磁共振测量”和“微观磁共振测量”这两种。其中，宏观磁共振测量的空间分辨率通常在毫米量级，适用于观察人体器官或较大生物样本的磁共振成像，常用于临床医学诊断和研究；微观磁共振测量的空间分辨率可以达到微米甚至纳米量级，适用于细胞或生物分子水平上的磁共振成像，能够揭示细胞内部的代谢过程以及生物分子的结构和动态等。

属于传统“宏观磁共振测量”的人体核磁共振成像技术

（图片来源：veer图库）

传统的磁共振测量仪器大多只能进行宏观磁共振测量，因而存在成像分辨率不高、测量精度不够等问题。这意味着传统的磁共振测量仪器无法用于探测尺度仅为纳米量级的单个微观粒子的磁学状态。

为了满足对单个微观粒子进行磁共振测量的需求，科学家们再次将目光投向微观的量子世界。他们希望再次利用奇妙的量子干涉效应来构造具有超高灵敏度的磁信号量子探测仪器，从而打造出一把用于微观磁共振测量的“量子之尺”。

金刚石NV色心——自带“钻石buff”的测磁体系

在量子精密测量的众多技术路径中，有一种自带“钻石buff”的测磁体系能同时满足上述的性能指标，那就是金刚石NV色心方案。科学家们已经利用这一方案构造出了可用于微观磁共振研究的磁信号量子探测仪器，且实现了高灵敏度以及高分辨率的磁测量。

为什么说它自带“钻石buff”呢？这是因为字母N代表英文单词Nitrogen（氮），而字母V则代表英文单词Vacancy（空位）。如下图所示，金刚石NV色心的物理结构其实就是，金刚石中一个碳原子被一个氮原子取代，相邻位置上的碳原子又出现缺失而留下空位。通常情况下，NV色心会再捕获一个额外的电子，从而形成了NV色心结构。

金刚石氮-空位（NV）色心的结构图

（图片来源：Wikipedia）

这里的“色心”则是一种晶体结构的专有名词，它是指晶体材料中能够对可见光产生选择性吸收的缺陷结构。

早在1997年，科学家们就利用532nm波段的激光对金刚石内的单个NV色心结构，成功实现了光探测磁共振。经过近三十年的发展，科学家已经能够通过光探测磁共振技术，以超高的保真度对金刚石NV色心的量子态进行了高效读取。除此之外，科学家们还可以利用微波或者交变磁场，实现对金刚石NV色心电子自旋状态的精确量子调控。

那如何用金刚石NV色心来实现精密的磁测量的呢？

金刚石氮-空位（NV）色心的光探测磁共振过程

（图片来源：参考文献[1]）

测磁的秘诀——量子世界的干涉效应

其实，金刚石NV色心的测磁原理并没有那么神秘，它和上一篇文章中介绍的原子团在重力场作用下发生的量子干涉过程十分类似，仍然利用了我们所熟知的量子干涉效应。

简单而言，量子干涉效应是指一组处于量子叠加状态的量子态，在完成“分束操作”后会各自独立地进行演化。在各自独立的演化过程中，每个路径中的量子态就像一个个“小探针”，会在外界环境的作用下发生微小改变。这样一来，当这些演化后的量子态在完成“合束操作”后，每个“小探针”所感受到的相对演化信息就能被提取出来，从而准确地反映出外界环境的物理信息。

如下图所示，科学家们将金刚石NV色心的测磁过程分解为“初始态的分束”“独立的相位路径演化”,以及“相对相位测量”三个阶段，从而利用量子干涉效应来提取待测物体的磁信号，并且完成精密磁测量的过程：

（1）初始态的分束：将金刚石NV色心初始的自旋量子态，通过第一步的“分束”操作来制备到两种不同的自旋量子态|↑⟩和|↓⟩的叠加态上，也就是形成两个具有量子关联性的“小探针”；

（2）独立的相位路径演化：在待测物体的磁信号的作用下，金刚石NV色心的两种不同的自旋量子态↑和↓就等价为两个“小探针”，并且会在外界环境的作用下发生微小改变。也就是说，这两个“小探针”会在各自独立的路径中发生不同的相位演化，从而在两种不同的演化路径中积累特定的相位差；

（3）相对相位测量：在两个“小探针”完成各自独立的相位路径演化后，我们就可以通过“合束操作”来提取每个“小探针”所感受到的相对演化信息，从而准确地获取两种演化路径发生的量子干涉信号，也就是得到待测磁信号的变化关系。

NV色心与待测磁信号的干涉测量过程

（图片来源：参考文献[2]）

一般而言，金刚石NV色心测磁体系的灵敏度通常可以达到~10-5 Gauss（高斯，磁场的强度单位）以上，其空间分辨率可以达到～0.1 纳米（亚纳米的量级），从而具有传统测磁体系难以企及的测量精度。

除此之外，对于某些传统的高精度测磁体系，例如超导量子干涉装置（SQUID）或原子磁力计，它们需要额外的低温制冷装置来提高测量的灵敏度，并且抑制环境的热噪声。

相比而言，金刚石NV色心测磁体系在室温大气环境下就可以正常工作，并且无需低温制冷装置。值得一提的是，单个金刚石NV色心的空间尺寸只有原子级，这就意味着金刚石NV色心测磁体系可以进一步完成芯片化和微型化。

各种测磁体系的指标对比

（图片来源：参考文献[3]）

未来已来，“量子之尺”开始展露锋芒

金刚石NV色心测磁体系的独有优势已经在地质磁学、生物医药以及工程测磁等领域展现出广阔的应用前景。

2022年，来自中国科学技术大学中国科学院微观磁共振重点实验室杜江峰、石发展、孔飞等人组成的研究团队，利用金刚石NV色心量子传感器，实现了~10-12T（皮特斯拉量级）超高灵敏度的测磁精度。相比于之前最优的测磁精度记录，该研究结果的测量灵敏度提升了近十万倍。

基于金刚石NV色心体系，实现皮特斯拉量级超高灵敏度的磁测量

（图片来源：参考文献[4]）

在地质磁学的研究方面，由于地质岩石在形成之初就受到地磁场的磁化作用，因此，科学家们通过研究地质岩石样品的磁性，就可以分析并理解地球磁场强度和方向的演化规律。

而早在2017年，来自美国哈佛大学和麻省理工学院的联合研究团队，就利用金刚石NV色心体系对地质岩石样品表面的磁场分布进行精确测量，从而成功获取了岩石样品丰富的磁学信息。

使用金刚石NV色心测磁体系对地质岩石样品进行微米级磁成像

（图片来源：参考文献[5]）

在生物医药的研究领域，细胞磁成像是精确探测和分析生物组织的有效表征手段。传统的磁成像手段存在空间分辨率不够高，以及无法直接用于活体细胞样品的使用限制，而金刚石NV色心测磁仪器区别于传统的手段，可以直接用于活细胞的磁成像，对生物医药的研究具有重要的科研价值。

金刚石NV色心测磁仪器可以直接用于活细胞的磁成像

（图片来源：参考文献6）

在工程测磁等工业生产领域，金刚石NV色心测磁仪器可以紧贴在待测芯片的表面，实时监测待测芯片周边的磁场分布情况。

由于芯片中的电流密度分布会导致周边磁场分布情况的改变，我们就可以利用金刚石NV色心测磁体系来获取待测芯片的电流密度分布信息，从而实现工业生产中的全过程质量监测。

利用金刚石NV色心测磁仪器对芯片周围的磁场分布进行实时监测

（图片来源：参考文献[7]）

结语

金刚石NV色心测磁体系在地质磁学、生物医药，以及工程测磁等领域展现出独特的应用价值。随着量子精密测量技术的蓬勃发展，一大批精密测量仪器正在朝着商业化发展之路迈进，我们可以预见，在不久的将来，越来越多的量子精密测量仪器将走出实验室，走进人们的日常生活，“量子之尺”必将为我们揭示更广阔的世界。

参考文献

[1] Xie Y, Geng J, Yu H, et al. Dissipative quantum sensing with a magnetometer based on nitrogen-vacancy centers in diamond[J]. Physical Review Applied, 2020, 14(1): 014013.

[2] 彭世杰, 刘颖, 马文超, 等. 基于金刚石氮-空位色心的精密磁测量[J]. 物理学报, 2018, 67(16): 163200.

[3] Degen C. Microscopy with single spins[J]. Nature nanotechnology, 2008, 3(11): 643-644.

[4] Wang Z, Kong F, Zhao P, et al. Picotesla magnetometry of microwave fields with diamond sensors[J]. Science Advances, 2022, 8(31): eabq8158.

[5] Glenn D R, Fu R R, Kehayias P, et al. Micrometer‐scale magnetic imaging of geological samples using a quantum diamond microscope[J]. Geochemistry, Geophysics, Geosystems, 2017, 18(8): 3254-3267.

[6] Le Sage D, Arai K, Glenn D R, et al. Optical magnetic imaging of living cells[J]. Nature, 2013, 496(7446): 486-489.

[7] Turner M J, Langellier N, Bainbridge R, et al. Magnetic field fingerprinting of integrated-circuit activity with a quantum diamond microscope[J]. Physical Review Applied, 2020, 14(1): 014097.