从生物医学到海洋地质研究，量子钻石系列产品助力三大领域科研突破

2025-06-23 12:52:19, CIQTEK 国仪量子技术（合肥）股份有限公司

金刚石NV色心这一固态单自旋体系具有易于初始化和读出、可操控、具有较长相干时间等优点，在量子精密测量、量子计算等领域具有巨大的应用前景。近年来，国仪量子基于金刚石NV色心体系开发了扫描NV探针显微镜、宽场NV显微镜以及量子钻石单自旋谱仪等多款量子精密测量设备，帮助用户在多个领域取得了重要的科研突破。

曲阜师范大学：高温高压调控下金刚石中单NV-色心实现超长相干时间的突破

近期，曲阜师范大学物理工程学院刘晓兵教授团队，在高温高压条件下采用温度梯度法成功制备了大尺寸高质量的Type-IIa金刚石单晶，并深入研究了金刚石生长及高温高压退火过程中单NV-色心的形成机制及其相干性质，相关成果以“Achieving Ultralong Spin Coherent Time of Single Nitrogen Vacancy Centers in Diamond”发表在Chinese Physics Letters上。

研究表明，NV-色心在金刚石结晶过程中优先在<111>晶向生长区域的边界位置形成。在高温高压条件下，氮原子和空位的扩散显著增强，使得原本无色心的区域在退火过程中有效生成均匀弥散分布的单NV-色心。利用NV-色心作为探针，该团队探讨了高温高压退火对其相干性质的影响。结果显示，高温高压退火能够有效调控金刚石生长过程中晶格畸变引起的外场效应，从而显著提升色心的相干性质，最长相干时间达到720 μs，创下¹³C天然丰度金刚石中NV-色心相干性质的最高水平。该研究通过高温高压技术，实现了高相干单NV-色心的可控制备，为量子信息技术的发展提供了重要基础。

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图1：高温高压法合成的大尺寸Type-IIa金刚石单晶。

文中使用国仪量子的量子钻石单自旋谱仪对不同条件下生长金刚石NV色心及其相关特性进行表征。

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图2：通过高温高压退火处理生成<111>单NV⁻色心。 (a) 1300℃退火前的共聚焦图像;(b) 1300℃退火后的共聚焦图像；(c) 1500℃处理后的成像：单NV⁻色心开始出现；(d) 1600℃处理后的成像：单NV⁻色心密度显著增大

图片3.png 图3：高温高压（HPHT）金刚石中单NV⁻色心的自旋相干性(a) (b) 对比HPHT金刚石与CVD金刚石中单NV-色心的退相干时间T2*与相干时间T2。(c) 与(d) 相干时间达到720 μs的单色心FID及Spin Echo信号的实验结果。

本研究分析了高温高压条件下金刚石中NV-色心的形成机制，并在Type-IIa高温高压金刚石中实现了高相干单NV-色心的可控制备，为其在量子技术中的应用奠定了坚实基础。此外，该研究揭示了金刚石中晶格畸变场对NV-色心相干性质的影响，为未来进一步提升其相干性提供了重要指导，也为相关领域的研究提供了新的视角与思路。

南京理工大学：使用ODMR谱仪通过磁荧光量子比特成像和即时人工智能增强进行单蛋白测定

传统的POCT存在灵敏度局限，漏检或假阳性风险较高，限制了其在常规门诊分析和早期临床诊断中的应用。南京理工大学邓盛元团队利用前沿量子精密计量学的优点，在核壳荧光纳米金刚石FND@SiO₂上进行磁荧光量子位标记与调谐，开发了一种微型量子传感器。相关成果以“Single-Protein Determinations by Magnetofuorescent Qubit Imaging with Artifcial-Intelligence Augmentation at the Point-Of-Care”发表在ACS Nano期刊。

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研究综合表征证实了FND生物标签的成功构建，而光谱学分析确保表面修饰后自旋态跃迁特性未发生退化。研究人员以病毒核衣壳蛋白为模型标记物，通过锁相分析获得了超低检测限（LOD），性能超越传统比色法及免疫荧光法2000倍以上。此外，进一步采用Unet-ConvLSTM-Attention架构的人工智能（AI）增强技术，通过原始量子队列的像素级扫描精准识别真实量子点。此处理不仅显著提升探测精度，更实现了人唾液中单蛋白水平的确定性检测，其终极LOD较胶体金法低7800倍，达到RT-qPCR阈值，并媲美金标准SIMOA的认证临界值。

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文中使用了国仪量子的量子钻石单自旋谱仪对FND进行探测，测到了纳米金刚石NV色心激发态的光探测磁共振谱，对激发态NV性质进行了研究。并测试了FND在外部磁场 B = 0, 1, 2, 3, 4, 10 mT 作用下的连续波谱。

因此，通过AI辅助光学量子位数字化，此符合REASSURED标准（实时、易用、低价、高敏、无样本限制、用户友好、快速、免设备、可送检）的装置有望成为兼具超凡灵敏度、速度与成本效益的新一代POCT解决方案，为新兴量子计量学在生物传感领域的卓越性能提供了决定性实证。

海洋二所：使用量子钻石显微镜（QDM）探讨了普遍存在的氧化风化作用是否会影响SMS矿床的磁性特征

海底块状硫化物（SMS）矿床在不同地质背景下可具有多变的磁性矿物组成，但其时空差异性的机制和意义尚不甚明了。海洋二所陶春辉团队基于西南印度洋玉皇热液区的海底浅钻和表层取样，探讨了普遍存在的氧化风化作用是否会影响SMS矿床的磁性特征。以”Redox sensitive mineral magnetic signatures of seafloor massive sulfide deposits“发表在Journal of Geophysical Research: Solid Earth期刊。

显微观察和二价铁浓度分析表明，海底SMS矿床普遍遭受了强烈氧化；而海底以下的SMS矿床相对新鲜，但在样品采集后氧化作用即刻开始。新鲜样品观测到磁化率呈现负频率依赖性（可能源于测量中的涡电流效应），但氧化样品中未见此现象，这表明氧化风化作用降低了SMS矿床在地球物理探测中的电磁可探测性。磁黄铁矿（以及可能的其他磁性硫化铁矿物）、磁铁矿和赤铁矿被确认为SMS矿床中主要的磁性矿物（广义铁磁性矿物）。

文章中应用了薄片磁学成像技术辅助定位磁性矿物，该技术使用由国仪量子设计的量子钻石显微镜（QDM）。

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电子显微镜和量子钻石显微镜（QDM）观察揭示，磁黄铁矿矿化源于高温还原性热液流体，而铁氧化物则主要是原生硫化物的氧化产物。氧化风化作用会改造SMS矿床的古地磁记录。整体磁性参数随氧化程度增强而呈现系统性变化。温度依赖性磁学测量是区分SMS矿床氧化状态的有效工具。总之，这些发现解释了SMS矿床中磁性矿物的变异性，将矿物磁学特性与海底地球物理勘探联系起来。矿物磁学亦可作为一种氧化还原状态的指标，用于追踪海底热液区自然和人为环境波动，为理解动态地球系统中的相互作用激发新颖的跨学科研究。

国仪量子量子钻石系列产品