我国科学家实现高频微波高灵敏度测量

近日，中国科学院、中国科学技术大学微磁共振重点实验室的、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-空位色心量子传感器，实现了皮特斯拉级别的高灵敏度微波磁场测量，与此前该系统实现的亚微特斯拉指数级别相比，测量灵敏度提高了近10万倍。相关研究成果发表于《科学进展》。

微波在人类生活和科学研究中无处不在。在日常生活中，移动通信使用的电磁波属于微波范畴，微波测量技术的发展对无线通信的发展具有重要价值。在科学研究中，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。

量子传感技术在原理上具有创新性，可以大大提高微波的测量灵敏度，在过去的十年中得到了广泛的研究和发展。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。提高检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，所以毫米芯片大小的钻石可以集成上亿个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，大大提高了钻石中NV色心的利用率。基本原理是NV色心在激光的连续激发下会不断产生荧光。当空间中存在与NV色心能级共振的微弱微波时，荧光亮度会降低，降低的幅度与微波幅度的平方成正比。也就是说，当待测微波较弱时，荧光响应极弱。

为了提高NV色心对微波的响应，研究团队借鉴了传统的外差测量思想，提出了连续外差微波探测方法：引入稍强的辅助微波对被测微波进行干涉，产生拍频振荡，相应的NV荧光也产生拍频振荡，其幅度与被测微波的幅度成正比，相当于用辅助微波对被测微波进行了“放大”。

利用这种方法，研究团队在体积为0.04立方毫米、色心为2.8*1013 NV的金刚石量子传感器上成功实现了灵敏度为每单位时间8.9皮特斯拉的微波磁场测量。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，可以直接扩展到更大的具有更多NV色心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0.1皮特斯拉级别甚至更高。由于省略了与量子操纵相匹配的硬件器件，该方案为小型化和芯片化的金刚石量子传感系统奠定了基础。同时也是朝着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的重要一步。