我室杜江峰、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（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。该项研究成果以“Picotesla magnetometry of microwave fields with diamond sensors”为题发表在《Science Advances》[Sci. Adv. 8, eabq8158 (2022)]上。
微波在人类生活和科学研究中无处不在。日常生活中，移动通信所使用的电磁波便属于微波范畴，发展微波测量技术对无线通讯的发展有重要价值；科学研究中，实现对高频微波的高灵敏测量能够为高场高频磁共振谱学、太赫兹成像、甚至天文学观测提供基础支撑。利用从原理上革新的量子传感技术能够大大提升微波的测量灵敏度，在过去的十几年中得到了广泛的研究和发展。目前，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，成为极具发展前景的固态量子传感器，提升探测灵敏度是最重要的发展方向之一。
图1：测量方法示意图。上图为NV色心对共振微波的吸收。下图为连续外差探测方法。
提升灵敏度最直接的途径是利用大量NV色心开展并行测量。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色心在激光的连续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，提出了连续外差微波探测方法：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0.04 mm3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8.9 pTHz-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8.9 pTHz-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100fTHz-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。
我室博士研究生王哲成为该论文的第一作者，杜江峰院士、石发展教授和孔飞特任研究员为共同通讯作者。该研究得到了国家自然科学基金委、科技部、中科院和安徽省的资助。
论文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abq8158
