【48812】我国科大完成高频微波磁场的高活络度量子传感

  微波在人类日子和科学研讨中无处不在。日常日子中，移动通讯所运用的电磁波便归于微波范畴，展开微波丈量技能对无线通讯的展开有重要价值；科学研讨中，完成对高频微波的高活络丈量能够为高场高频磁共振谱学、太赫兹成像、乃至天文学观测供给根底支撑。使用从原理上改造的量子传感技能能够极大的进步微波的丈量活络度，在曩昔的十几年中得到了广泛的研讨和展开。现在，常见的量子传感器包括里德堡原子、原子磁力计、超导量子干与仪、金刚石NV色心等。其间NV色心体系因一起的载体稳定性和室温大气环境兼容性，成为极具展开前途的固态量子传感器，进步勘探活络度是最重要的展开趋势之一。

  图1：丈量办法示意图。上图为NV色心对共振微波的吸收。下图为接连外差勘探办法。

  进步活络度最直接的途径是使用很多NV色心展开并行丈量。因为单个NV色心的尺度只要原子级，即使是毫米级芯片巨细的金刚石中也能够集成数以亿万计的NV色心。可是跟着尺度的添加，对一切的NV色心同步地进行量子调控变得更困难。为此，本作业研讨人员提出一种无需杂乱量子调控的丈量计划，能够大幅地进步金刚石中NV色心的使用率。其根底原理是NV色心在激光的接连激发下会继续发生荧光。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，下降的起伏与微波起伏的平方成正比，是一个二阶小量。为进步NV色心对微波的呼应，研讨团队学习传统外差丈量的思路，提出了接连外差微波勘探办法：引进一个稍强的辅佐微波与被测微波干与，发生拍频振动，相应的NV荧光也会发生频率为拍频的振动（见图1），其振幅与待测微波起伏成正比。相当于用辅佐微波“扩大”了待测微波。使用该办法，研讨团队在体积为0.04mm3包括2.8*1013个NV色心的金刚石量子传感器上成功完成了活络度为8.9pT Hz-1/2的微波磁场丈量，比较此前该体系完成的亚微特斯拉目标水平，丈量活络度进步了近十万倍。

  图2：对弱微波的丈量。左图为信号扩大示意图。右图为实测强度为6.81pT的微波场，丈量时刻1000秒，信噪比为24.2，对应丈量活络度为8.9pT Hz-1/2。

  该办法避免了杂乱的同步量子控制，能够直接推行到包括更多NV色心的更大体积的金刚石量子传感器上，未来有望将丈量活络度逐渐进步至100 fT Hz-1/2量级乃至更高。因为省去了与量子控制配套的硬件设备，该计划为金刚石量子传感体系的小型化和芯片化奠定根底。一起也向着金刚石量子传感器在无线通讯、磁共振检测等范畴的实用化迈出了重要的一步。

  中科院微观磁共振要点实验室博士研讨生王哲成为该论文的榜首作者，杜江峰院士、石展开教授和孔飞特任研讨员为一起通讯作者。该研讨得到了国家自然科学基金委、科技部、中科院和安徽省的赞助。

  （中科院微观磁共振要点实验室、物理学院、中科院量子信息与量子科学技能创新研讨院、科研部）