NV色心磁强计研究进展及应用_郑斗斗.pdf

第 21 卷第 5/6 期2022 年 12 月导航与控制NAVIGATION AND CONTROLVol.21 No.5/6Dec.2022收稿日期:2022-04-28基金项目:国 家 自 然 科 学 基 金(编 号:51922009，61874100);山 西 省 量 子 传 感 与 精 密 测 量 重 点 实 验 室(编 号:201905D121001);装备发展部快速支持项目;山西省杰出青年基金项目(编号:20210302121007)NV 色心磁强计研究进展及应用郑斗斗1，2，3，郭浩1，2，3，李中豪1，2，3，马宗敏1，2，3，唐军1，2，3，刘俊1，2，3(1.省部共建动态测试技术国家重点实验室，太原 030051;2.量子传感与精密测量山西省重点实验室，太原 030051;3.中北大学仪器与电子学院，太原 030051)摘 要:基于金刚石氮空位(Nitrogen Vacancy，NV)色心的量子传感技术具有高灵敏度、高分辨率、全固态等优势，近年来引起了众多传感器研究机构的广泛关注。就 NV 色心在量子传感中的磁测量展开论述，首先介绍了 NV 色心的基本结构与磁测量原理，着重分析了微波天线、荧光高效收集、高灵敏磁测量方法以及集成磁强计设计等关键技术的最新研究进展，并针对当前存在的技术难题提出了技术发展方向。此外，还总结归纳了近些年 NV 磁强计在地磁探测、无损检测、生物医疗等领域的初步实际应用情况。关键词:NV 色心;微波天线;荧光收集;集成磁强计;应用中图分类号:TN431.2文献标志码:A文章编号:1674-5558(2022)01-02128doi:10.3969/j.issn.1674-5558.2022.h5.013ecent esearch and Application of NVCenters MagnetometerZHENG Dou-dou1，2，3，GUO Hao1，2，3，LI Zhong-hao1，2，3，MA Zong-min1，2，3，TANG Jun1，2，3，LIU Jun1，2，3(1.State Key Laboratory of Dynamic Measurement Technology，Taiyuan 030051;2.Shanxi Province Key Laboratory of Quantum Sensing and Precision Measurement，Taiyuan 030051;3.School of Instrument and Electronics，North University of China，Taiyuan 030051)Abstract:The quantum sensing technology based on nitrogen vacancy(NV)centers in diamond has recently attractedextensive attention from sensor research institutions due to its advantages of high-sensitivity，high-resolution and all-solidstate.In this paper，the magnetic measurement of NV centers in quantum sensing is discussed.Firstly，the basic structureof NV centers and the principle of magnetic measurement are introduced.In addition，the key technologies such as micro-wave antenna，efficient collection of fluorescence，high-sensitive magnetic measurement method and integrated magnetome-ter design are analyzed emphatically.According to the existing technical problems，the technical trends are put forward.Moreover，the recent preliminary practical applications of NV magnetometer in geomagnetic detection，nondestructive tes-导航与控制2022 年第 5/6 期ting，biomedicine are summarized.Key words:nitrogen vacancy(NV)centers;microwave antenna;fluorescence collection;integrated magnetometer;application0引言金刚石氮空位(Nitrogen Vacancy，NV)色心原子磁强计与光泵原子磁强计、相干布居囚禁(Coher-ent Population Trapping，CPT)原子磁强计、无自旋交换弛豫(Spin-exchange elaxation Free，SEF)原子磁强计等其他类型原子磁强计相比具有可在常温下工作、全固态、高分辨率等优越的性能，近年来备受广大科研人员的关注，并且经过十余年的发展，已在生物医疗、地磁探测、无损探伤等领域得到初步运用。本文就 NV 色心原子磁强计的磁测量原理、关键技术、应用情况和发展趋势展开论述。1NV 色心结构及磁测量原理如图 1 所示，NV 色心由金刚石中一个替代碳原子的氮原子(橙色)和一个邻近的空位(白色)组成，具有 C3v对称结构。集群 NV 色心在金刚石中有四 种 晶 轴 取 向1，即 111、111、111 和111。NV 色心主要存在两种电荷状态:中性的 NV0和带负电荷的 NV 2，对应的零声子线能量分别为 2.146eV(575nm)和 1.945eV(637nm)。由于 NV0还未能实现光学读出，用于磁测量研究的对象大多为 NV色心，因此在不加特殊说明的情况下后文中所有 NV 色心都指代 NV色心。图 1金刚石中 NV 色心的四个晶体取向Fig.1Four crystal orientations of NVcenters in diamond图 2 为 NV 色心能级跃迁示意图。NV 色心的基态3A2和激发态3E 都是自旋三重态3，在无外界物理场时，ms=+1 态与 ms=1 态处于简并状态，且基态 ms=0 与 ms=1 之间的零场劈裂 D2.87GHz。而在外界磁场的作用下，ms=1 态会发生劈裂，劈裂能级差与磁场呈线性关系，即f=2eB。其中，f 为 ms=+1 态与 ms=1 态之间的能级差，e为 NV 色心电子旋磁比 2.8MHz/Gs，B 为外界磁场。当受到绿色激光泵浦时，NV 色心会从基态跃迁到激发态，其中处于 ms=0 态的 NV色心将直接跃迁回基态并释放光子，而部分处于ms=1 态的 NV 色心通过系际跃迁(IntersystemCrossing，ISC)过程返回基态，即经过亚稳态1A1与1E 后跃迁回基态中的 ms=0 态，该过程发出1042nm 波长的红外光4。从 NV 色心的能级跃迁过程可知，NV 色心自旋极化到基态 ms=0 通过长时间激光照射便可以实现，且 NV 色心的自旋态可通过 600nm 850nm 波长的荧光强弱来判断，这是进行磁场测量与量子调控的重要依据。在微波的作用下 NV 色心可实现在 ms=0 态与 ms=1 态之间的 abi 振荡5，但需满足微波频率与 ms=0 态与 ms=1 态的能级差值相等，此时激光极化过程与 abi 振荡过程处于动态平衡，统计上表现出荧光的减弱。因此在连续光泵浦下，通过扫描微波频率即可得到 NV 色心的光探测磁共振(Optical De-tection Magnetic esonance，ODM)谱图6。只考虑自旋三重态，忽略应力、电场对电子自旋的影响时，NV 色心基态的哈密顿量7可由式(1)表示，只有零场分裂项 HZF与塞曼项 HZeeman。式(1)中，D 为 NV 色心基态的零场分裂值，室温下为 2.87GHz;电子旋磁比 e为 2.8MHz/Gs，Sz为无量纲自旋为 1 的电子自旋算符，Bz为外界磁场。式(1)中的磁场方向与 NV 色心主轴方向一致。从 NV 色心的哈密顿量可以看出，外部磁场的探测是利用其与 NV 色心的依赖关系，即为 NV 色心测量磁场的原理。H=HZF+HZeeman=DS2z+eBzSz(1)041第 5/6 期郑斗斗等:NV 色心磁强计研究进展及应用图 2NV 色心能级跃迁图Fig.2Energy level transition of NV centers利用系综 NV 色心进行 0kHz 100kHz 低频静磁场(Direct Current，DC)测量的方法主要有拉姆齐(amsey)方法、连续波 ODM 方法(CW-ODM)、脉冲 ODM 方法，用于 1kHz 10MHz 中高频交流(Alternating Current，AC)磁场测量的方法主要为自旋回波方法以及动力学解耦方法8。连续波方法与其他脉冲调控方法相比具有技术方法简单更易实施、磁测量响应时间快、容易实现系统小型化集成等优点，且由连续 ODM 方法扩展的微波频率调制方法已成为近几年研究的热点。基于 CW-ODM 方法的 NV 磁测量散粒噪声极限灵敏度可由下式表示9SN=BSNm43 3hgeBC(2)式(2)中，BSN为由于光子散粒噪声引起的磁场不确定度，m为测量时间，43 3为洛伦兹拟合失谐因子，ge为朗德因子，B为玻尔磁子，C 为ODM 信号对比度，为荧光探测速率，h 为普朗克常量，为连续波 ODM 谱的线宽。高均匀性近场强辐射微波天线可增加参与传感的色心数量进而减小C，荧光边带收集、复合抛物面聚光器(Compound Parabolic Concentrator，CPC)、光囚禁金刚石波导等技术可以提高荧光收集效率，由此来优化 NV 色心磁强计的散粒噪声极限灵敏度。基于 CW-ODM 方法拓展的微波频率调制方法测量磁场的原理主要为在微波频率上施加一个调制频偏 fdev、调制频率为 fmod的参考信号作用于NV 色心，此时荧光信号被调制到 fmod频率上，再与参考信号进行乘法运算且滤波后，即可得到ODM 信号的解调信号，如图 3 所示。通过解调信号 f0处的零点电压偏移量来检测外部磁场，其表达式如下B=fe=Ske(3)式(3)中，B 为外界磁场变化量，e为 NV 色心电子旋磁比，f 为解调信号频率偏移量，k 为解调信号 f0处斜率，S 为解调信号 f0处电压变化量。图 3微波频率调制解调原理Fig.3Principle of microwave frequency modulationand demodulation微波频率调制方法的 NV 色心磁强计系统灵敏度为10-11=BENBW2SN+2L+2EkeENBWASDke(4)式(4)中，B为系统磁噪声，ENBW 为系统等效噪声带宽，SN为光子散粒噪声，L为激光噪声，E为系统电子学噪声，k 为解调信号最大斜率，e为 NV 色心电子旋磁比;ASD 为解调信号的幅值谱密度，用来表示单位频率下的系统噪声。激光噪声 L可通过激光荧光相消降噪技术来优化，电子学噪声 E则可通过优化微波调制参数转移目标频率范围内噪声的方法来避免。磁聚集放大技术、微波多轴激发技术等可提高磁信号强度与系统信噪比，进而提高系统灵敏度。中国科学技术大学杜江峰院士团队结合激光荧光相消降噪技术、CPC 荧光高效收集技术、磁聚集放大技术等实现了约 0.2pT/Hz1/2的 NV 磁测灵敏度，这是目前报道的系综 NV