完美中的“瑕疵” 钻石也能加持量子精密测量

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完美中的“瑕疵” 钻石也能加持量子精密测量

精密的测量技术可以为发现新科学提供机遇,也能为其他技术发展提供强有力的支持。量子力学这一前沿科技其实早就已经逐渐深入公众的生活,量子精密测量是作为基于量子力学原理发展起来的精密测量技术,相关技术的研究与信息、材料、能源和化学学科的交叉发展孕育着重大的科学突破。

自旋磁共振技术是目前为止发展成熟、应用广泛的传统测量技术之一,同时也是当代科学中相当重要的物质探索技术之一。自旋磁共振及数能够用来准确、快速和无破坏性地获取物质的组成和结构上的信息,再结合上新兴的量子调控技术,有望成为未来走向微观物质探测的重要手段。

钻石这种经过琢磨的精钢石,不仅能够作为珠宝装饰品,同时也是颇具研究价值的新型量子材料。一个氮原子替代了金刚石晶格中的一个碳,邻近位置同时存在一个碳原子的空位,因此被称为金刚石氮—空位(NV)色心。这种缺陷能够发出彩色光子,并携带周围磁场和电厂的量子信息,能够用于生物传感、目标探测和其他传感应用。

1997年,科学家们采用共聚焦显微成像,第一次观测到单个NV色心的信号。并从2004年实现单自旋量子调控和两比特门后,基于NV色心的量子信息处理研究的进展迅速。2013年,科学家们利用NV作为探针测量金刚石外有机样品中质子信号,已经实现了5nm和24nm尺度的微观核磁共振。

NV色心是实现量子信息处理和量子精密测量的重要平台,其室温下优良的光读出、极化性质以及毫秒量级的相干时间,使得它成为目前最成功的的单自旋磁共振体系之一。用NV单自旋体系实现高分辨率和高灵敏度的磁探测是很好的选择,并且发展基于此体系的围观磁共振技术也迫在眉睫。

金刚石仅表面磁噪声环境复杂,NV色心也容易受到此信号的干扰。为此,我国科研人员设计了一种连续动力学解耦序列,形成特定的缀饰态空间,从而有效抑制NV色心对磁场的相应,同时也保留了对电场的线性响应,从而构建了一个更加有效地电信号量子传感器。这一成果有望在材料的电磁性质表征领域得到重要应用,还使之能够用于凝聚态以及半导体等材料的电信号表征。

中国科学技术大学杜江峰院士团队建立光学检测磁共振宽场显微镜,通过检测金刚石NV中心的连续波(CW)光谱来实现肿瘤组织磁共振成像,对肿瘤生物标志物进行磁成像和量化。该项研究为人类疾病的组织学检查提供了一种有吸引力的方法,补充了现有的组织成像方法,丰富了磁共振技术。同时,这个基于NV的磁显微镜还能够在组织水平上以亚微米或亚细胞分辨率对动物磁感受中的各种MRI造影剂、磁性粒子和磁性分子进行成像、量化和分析。

就在近日,中国科学院上海微系统与信息技术研究所传感技术国家重点实验室基于晶圆级微机电工艺平台,利用标准微纳加工技术,制备出钻石量子磁传感器的核心——钻石芯片。钻石芯片耦合带有梯度变化折射率透镜的光纤模块,实现了“光进光出”工作模式,缩小了探头尺寸,实现了钻石磁强计探头的高集成度。

他们进一步研究表明,采用双频共振技术可以同时进行磁场和温度场的同步实时测量,不仅能够通过温漂抑制提高磁场测量的信噪比,同时确保了传感器温度的稳定性,并且他们所提出的制备工艺为建立高一致性、高灵敏度的可穿戴传感器阵列提供了可能性。该钻石磁传感器还可以对小于0.5毫米(甚至更小)的目标区域进行近距离测量,具有在心磁、脑磁等弱磁信号探测场景的应用潜力,为后续实用化的可穿戴生物磁传感器奠定研究基础。

纯净璀璨的钻石自古以来便受到人们的喜爱,也是现代所公认的宝石之王。而氮—空位缺陷的研究表明,有时候完美中出现瑕疵,也未必是一件坏事。并且基于NV色心的量子精密测量,突破了传统磁共振技术所受到的诸多限制,单分子磁共振已经初步实现,磁共振成像也逐渐纳入纳米甚至亚纳米尺度。利用现有NV测量技术真正解决相关领域的重大问题,既是人们对该方向的期望,也是新的探测手段能够得到认可的必经之路。

(资料参考来源:中国科学院、中国新闻网、澎湃新闻、百科、知乎、知网等)

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