高频微波高灵敏度测量的实现

高频微波的高灵敏度测量可以为高场高频磁共振光谱、太赫兹成像乃至天文观测提供基础支撑。近日，记者从中国科学技术大学获悉，中科院显微磁共振重点实验室、石发展、孔飞等人基于金刚石氮空位(NV)色心量子传感器，实现了皮特斯拉量级的高灵敏度微波磁场测量。该研究成果近日发表在《科学进展》上。

量子传感技术可以大大提高微波的测量灵敏度。目前常见的量子传感器有里德伯原子、原子磁力仪、超导量子干涉仪、金刚石NV色心等。其中，NV色心系统以其独特的载流子稳定性和室温大气兼容性成为极具发展前景的固态量子传感器，提高其探测灵敏度是最重要的发展方向之一。

提高灵敏度最直接的方法就是使用大量的NV色心进行平行测量。因为单个NV色心的大小只有原子级，所以即使是毫米级芯片大小的钻石，也能集成上亿个NV色心。然而，随着尺寸的增加，同步控制所有NV色心变得更加困难。

因此，研究人员提出了一种不需要复杂量子控制的测量方案，即引入稍强的辅助微波来干扰被测微波，产生拍频振荡。相应的，NV荧光也会产生拍频振荡，其振幅与被测微波的振幅成正比，相当于用辅助微波“放大”了被测微波。利用这种方法，研究团队成功测量了体积为0.04立方毫米、色心为2.81013 NV的金刚石量子传感器上的微波磁场。与之前该系统达到的亚微特斯拉指数水平相比，测量灵敏度提高了近10万倍。这种方法避免了复杂的同步量子操纵，可以直接扩展到包含更多NV色心的更大的金刚石量子传感器。未来有望将测量灵敏度进一步提高到更高的数量级。

该方案为金刚石量子传感器系统的小型化和芯片化奠定了基础，也为金刚石量子传感器在无线通信、磁共振检测等领域的实际应用迈出了重要一步。