量子钻石显微镜解锁古代岩石中隐藏的磁学秘密

基于掺杂金刚石中的氮-空位体系（NV色心）的谱学技术，具有超高的探测本领，在物理、化学、生物等不同的学科领域均具有广泛而重要的应用前景。我们本着分享和服务的宗旨，根据顶级期刊、权威新闻对部分相关文章进行中文导读。欢迎大家在本文下方留言区进行留言讨论，如内容有错误疏漏之处，也欢迎各位专家学者补充及批评指正，共同提高本系列文章内容服务质量，谢谢。

量子钻石显微镜解锁古代岩石中隐藏的磁学秘密

量子钻石显微镜（QDM）作为一种新设备，可以让地质学家们感知和测绘出隐藏在岩石颗粒中空间分辨率比正常人头发直径还要小的磁场，也可以帮助他们梳理出了之前被精度较低的检测设备忽略掉的历史轨迹。哈佛大学研发的这台显微镜主要作以下几个用途：探测陨石以寻找太阳系早期的蛛丝马迹、检测钟乳石以记录数千年前降雨量以及探测古代熔岩以了解地球板块的最初的一些运动痕迹。尽管目前QDM在检测灵敏度上还未能超越传统的超导传感器，但在对远古磁学的研究（例如地磁场的起源等的探测）等方面它被寄予了厚望。

Diamond microscope unlocks ancient rocks' magnetic secrets

Paul Voosen,et al. Science 24 Apr 2020: Vol. 368, Issue 6489, pp. 354-355

DOI: 10.1126/science.368.6489.354

Paleomagnetic evidence for modern-like plate motion velocities at 3.2 Ga

Alec R. Brenner,et al.  Science Advances 22 Apr 2020:Vol. 6, no. 17, eaaz8670

DOI: 10.1126/sciadv.aaz8670

钻石中单轴NV色心的微波自由矢量磁力仪

在基础物理、生物成像和材料科学领域的很多应用中，磁场的矢量测量都十分重要。金刚石中的氮空位（NV）色心由于其高灵敏度和空间分辨率在众多磁传感器中备受瞩目。然而，矢量磁力仪的实现往往需要连续或同时地施加微波，会对传感器在低温下的应用产生限制。

由多国科学家组成的研究团队提出并论述了一种无微波矢量磁力仪，仅通过利用金刚石中的N-V系综就能同时测量到了磁场的所有的笛卡尔坐标系分量。本文展示了这款磁力仪利用102.4 mT外磁场下NV三重态中的能级免交叉，实现了对纵向和横向磁场从零到兆赫范围的带宽测量。通过在NV主轴方向和横向平面施加调制场并解调，实现了矢量磁场测量，其可以检测到在各方向的均方根噪声大约为300 pT/√Hz。

研究指出，这项技术可以广泛或潜在的应用于系综和单NV传感器，将矢量测量能力扩展到室温下的纳米尺度。

Microwave-Free Vector Magnetometry with Nitrogen-Vacancy Centers along a Single Axis in Diamond

Huijie Zheng,et al. Phys. Rev. Applied 13, 044023 – Published 9 April 2020

https://doi.org/10.1103/PhysRevApplied.13.044023

固态体系单核自旋的光学控制

该研究展示了一种新方法--通过近邻量子光源的电子态来进行单个固态核自旋的相干光学操纵。具体的，研究者基于金刚石中的氮空位（NV）色心体系，利用全光学拉曼技术实现了对近邻14N核自旋的控制。他们还评估了NV色心的固有物理特性，看其相干控制性能的受阻因素，发现最终它会受到NV色心激发态的横向超精细耦合和辐射衰减相对速率的影响。除此之外，该文章还探讨了该方法在一些其他色心上的可能扩展和应用。

Optical Control of a Single Nuclear Spin in the Solid State

M. L. Goldman, et al. Phys. Rev. Lett. 124, 153203 – Published 15 April 2020

https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.124.153203

量子钻石单自旋谱仪 Diamond II

基于钻石NV单自旋体系为原理的磁共振谱仪，市场上还未有商业化仪器出现。目前，国仪量子已掌握基于NV体系的核心技术，并具备成熟的制造工艺，成功研制了量子钻石单自旋谱仪（型号Diamond Ⅱ），在自主研发的光探测磁共振仪器平台上，能够完成室温单自旋量子调控、及固相和液相样品中磁信号的精密测量。

该谱仪利用ODMR技术实现对钻石中氮—空位（NV色心）发光缺陷的自旋进行量子操控与读出，与传统顺磁共振、核磁共振相比，该谱仪具有以下特点：1) 初态是量子纯态，易于初始化、操控和读出；2) 自旋量子相干时间长；3) 超高灵敏度与超高分辨率；4) 可以在室温大气条件下运行，对于生物样品有良好的兼容性；5) 通过高保真度量子自旋态调控技术，实现对自旋低噪声、高效、快速的量子相干操控。

此外，谱仪还配套了高智能化控制与信号采集软件，不仅能够实现自动光路调节、自动磁场调节以及长时间的无人值守自动测样实验；还能够进行连续波实验、拉比实验、Ramsey实验、回波实验等，从而实现对NV色心的自旋信号的读取和操控。

基于NV色心的ODMR技术已在量子计算、磁探测、电探测及生物探测有较为成熟的应用。在量子计算领域，NV色心可以作为非常好的量子信息存储和调控的室温固体单自旋材料。例如利用NV色心体系，演示了D-J算法，大数分解算法等，为计算效率的提高带来极大帮助。在精密测量领域，基于金刚石氮-空位色心的精密测量技术，能够实现对电场、磁场、温度、应力等物理量的精密测量，并且赋能于科研、教育、能源、安全、健康、工业等各行各业。例如在生物医学领域，对活体细胞磁场、温度探测，以及对神经单元电位探测等；在材料科学领域，利用ODMR技术还可以实现对不同材料光学性质和几何结构的研究。