精密的測(cè)量技術(shù)可以為發(fā)現(xiàn)新科學(xué)提供機(jī)遇，也能為其他技術(shù)發(fā)展提供強(qiáng)有力的支持。量子力學(xué)這一前沿科技其實(shí)早就已經(jīng)逐漸深入公眾的生活，量子精密測(cè)量是作為基于量子力學(xué)原理發(fā)展起來(lái)的精密測(cè)量技術(shù)，相關(guān)技術(shù)的研究與信息、材料、能源和化學(xué)學(xué)科的交叉發(fā)展孕育著重大的科學(xué)突破。
自旋磁共振技術(shù)是目前為止發(fā)展成熟、應(yīng)用廣泛的傳統(tǒng)測(cè)量技術(shù)之一，同時(shí)也是當(dāng)代科學(xué)中相當(dāng)重要的物質(zhì)探索技術(shù)之一。自旋磁共振及數(shù)能夠用來(lái)準(zhǔn)確、快速和無(wú)破壞性地獲取物質(zhì)的組成和結(jié)構(gòu)上的信息，再結(jié)合上新興的量子調(diào)控技術(shù)，有望成為未來(lái)走向微觀物質(zhì)探測(cè)的重要手段。
鉆石這種經(jīng)過(guò)琢磨的精鋼石，不僅能夠作為珠寶裝飾品，同時(shí)也是頗具研究?jī)r(jià)值的新型量子材料。一個(gè)氮原子替代了金剛石晶格中的一個(gè)碳，鄰近位置同時(shí)存在一個(gè)碳原子的空位，因此被稱(chēng)為金剛石氮—空位(NV)色心。這種缺陷能夠發(fā)出彩色光子，并攜帶周?chē)艌?chǎng)和電廠的量子信息，能夠用于生物傳感、目標(biāo)探測(cè)和其他傳感應(yīng)用。
1997年，科學(xué)家們采用共聚焦顯微成像，第一次觀測(cè)到單個(gè)NV色心的信號(hào)。并從2004年實(shí)現(xiàn)單自旋量子調(diào)控和兩比特門(mén)后，基于NV色心的量子信息處理研究的進(jìn)展迅速。2013年，科學(xué)家們利用NV作為探針測(cè)量金剛石外有機(jī)樣品中質(zhì)子信號(hào)，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了5nm和24nm尺度的微觀核磁共振。
NV色心是實(shí)現(xiàn)量子信息處理和量子精密測(cè)量的重要平臺(tái)，其室溫下優(yōu)良的光讀出、極化性質(zhì)以及毫秒量級(jí)的相干時(shí)間，使得它成為目前最成功的的單自旋磁共振體系之一。用NV單自旋體系實(shí)現(xiàn)高分辨率和高靈敏度的磁探測(cè)是很好的選擇，并且發(fā)展基于此體系的圍觀磁共振技術(shù)也迫在眉睫。
金剛石僅表面磁噪聲環(huán)境復(fù)雜，NV色心也容易受到此信號(hào)的干擾。為此，我國(guó)科研人員設(shè)計(jì)了一種連續(xù)動(dòng)力學(xué)解耦序列，形成特定的綴飾態(tài)空間，從而有效抑制NV色心對(duì)磁場(chǎng)的相應(yīng)，同時(shí)也保留了對(duì)電場(chǎng)的線性響應(yīng)，從而構(gòu)建了一個(gè)更加有效地電信號(hào)量子傳感器。這一成果有望在材料的電磁性質(zhì)表征領(lǐng)域得到重要應(yīng)用，還使之能夠用于凝聚態(tài)以及半導(dǎo)體等材料的電信號(hào)表征。
中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)杜江峰院士團(tuán)隊(duì)建立光學(xué)檢測(cè)磁共振寬場(chǎng)顯微鏡，通過(guò)檢測(cè)金剛石NV中心的連續(xù)波(CW)光譜來(lái)實(shí)現(xiàn)腫瘤組織磁共振成像，對(duì)腫瘤生物標(biāo)志物進(jìn)行磁成像和量化。該項(xiàng)研究為人類(lèi)疾病的組織學(xué)檢查提供了一種有吸引力的方法，補(bǔ)充了現(xiàn)有的組織成像方法，豐富了磁共振技術(shù)。同時(shí)，這個(gè)基于NV的磁顯微鏡還能夠在組織水平上以亞微米或亞細(xì)胞分辨率對(duì)動(dòng)物磁感受中的各種MRI造影劑、磁性粒子和磁性分子進(jìn)行成像、量化和分析。
就在近日，中國(guó)科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所傳感技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室基于晶圓級(jí)微機(jī)電工藝平臺(tái)，利用標(biāo)準(zhǔn)微納加工技術(shù)，制備出鉆石量子磁傳感器的核心——鉆石芯片。鉆石芯片耦合帶有梯度變化折射率透鏡的光纖模塊，實(shí)現(xiàn)了“光進(jìn)光出”工作模式，縮小了探頭尺寸，實(shí)現(xiàn)了鉆石磁強(qiáng)計(jì)探頭的高集成度。
他們進(jìn)一步研究表明，采用雙頻共振技術(shù)可以同時(shí)進(jìn)行磁場(chǎng)和溫度場(chǎng)的同步實(shí)時(shí)測(cè)量，不僅能夠通過(guò)溫漂抑制提高磁場(chǎng)測(cè)量的信噪比，同時(shí)確保了傳感器溫度的穩(wěn)定性，并且他們所提出的制備工藝為建立高一致性、高靈敏度的可穿戴傳感器陣列提供了可能性。該鉆石磁傳感器還可以對(duì)小于0.5毫米(甚至更小)的目標(biāo)區(qū)域進(jìn)行近距離測(cè)量，具有在心磁、腦磁等弱磁信號(hào)探測(cè)場(chǎng)景的應(yīng)用潛力，為后續(xù)實(shí)用化的可穿戴生物磁傳感器奠定研究基礎(chǔ)。
純凈璀璨的鉆石自古以來(lái)便受到人們的喜愛(ài)，也是現(xiàn)代所公認(rèn)的寶石之王。而氮—空位缺陷的研究表明，有時(shí)候完美中出現(xiàn)瑕疵，也未必是一件壞事。并且基于NV色心的量子精密測(cè)量，突破了傳統(tǒng)磁共振技術(shù)所受到的諸多限制，單分子磁共振已經(jīng)初步實(shí)現(xiàn)，磁共振成像也逐漸納入納米甚至亞納米尺度。利用現(xiàn)有NV測(cè)量技術(shù)真正解決相關(guān)領(lǐng)域的重大問(wèn)題，既是人們對(duì)該方向的期望，也是新的探測(cè)手段能夠得到認(rèn)可的必經(jīng)之路。
(資料參考來(lái)源：中國(guó)科學(xué)院、中國(guó)新聞網(wǎng)、澎湃新聞、百科、知乎、知網(wǎng)等)
原標(biāo)題：完美中的“瑕疵” 鉆石也能加持量子精密測(cè)量
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