科技前沿|基于高频微波磁场的高灵敏度金刚石量子传感器

中国科研技术大学中科院微观磁共振重点实验室研究员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。

现在，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，成为极具开展前景的固态量子传感器，提升探测灵敏度是最重要的开展方向之一。

图1：测量方法示意图。上图为NV色心对共振微波的吸收。下图为陆续在外差探测方法。

提升灵敏度最直接的途径是利用大量NV色心召开并行测量。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色心在激光的陆续在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，提出了陆续在外差微波探测方法：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。

 凯发k8国际致力于成为全球领先的宽禁带半导体材料和器件制造商，公司扎根半导体材料和器件的技术属性，大力开展具有自主知识产权的核心技术。同时具备MPCVD设备设计能力，国内首家掌握MPCVD制备高质量金刚石的核心工艺并实现量产，并且独创基于等离子体辅助抛光的金刚石原子级表面高效精密加工方法，晶圆级金刚石Ra<1nm，金刚石热沉片热导率1000-2000W/m.k，更有GaN on diamond 、Diamond on GaN、金刚石基氮化铝等产品。现在，采用金刚石热沉的大功率半导体激光器已经用于光通信，在RF功率放大器、激光二极管、功率晶体管、电子封装材料等领域也都有应用。未来，我们会继续顺利获得制造智能化、优化生产工艺等措施，持续不断提升产品质量，对标国际先进管理水平，持续不断提升我们的产品和服务，为国家科技开展贡献力量！