基于金刚石氮-空位色心的磁力计概述_蓝子桁.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:2022-04-26基金项目:国家自然科学基金(编号:12150010)基于金刚石氮-空位色心的磁力计概述蓝子桁，谢一进，荣星(中国科学技术大学物理学院，合肥 230026)摘 要:磁测量技术在诸如地磁测绘与导航、无损检测等领域中都有着重要作用。近些年，量子精密测量技术由于其高灵敏度的优点，已逐渐成为磁测量领域的主流研究方向。与经典的测量方法相比，量子精密测量利用量子系统对环境的敏感性实现对物理量的精确测量，在灵敏度等指标上具有突出优势。金刚石氮-空位色心是金刚石中的一种点缺陷，其对磁场敏感并且能够在室温大气环境下通过光学方法进行初始化和读出。因此，该体系目前已被广泛地应用于磁测量领域。自 2008 年被提出以来，基于金刚石氮-空位色心体系的磁力计在灵敏度指标和应用潜力等方面的研究都取得了众多进展。目前，金刚石磁力计对低频和高频磁场都能够实现亚皮特斯拉(sub-pT)量级的磁测量灵敏度。同时，金刚石晶格结构的稳定性使得氮-空位色心系综在矢量磁场测量技术方面具有高正交度等方面的优势，这也将推动地磁导航等领域的进步。在应用研究方面，该体系已在生物磁信号测量、涡流磁成像、古地磁学中的矿石检测等诸多领域崭露头角。未来，金刚石磁力计将逐渐在优化灵敏度指标的同时兼顾集成化研究，为磁测量应用提供新方法与新工具。关键词:金刚石氮-空位色心;量子精密测量;磁测量;光探测磁共振中图分类号:TL65+5文献标志码:A文章编号:1674-5558(2022)01-02121doi:10.3969/j.issn.1674-5558.2022.h5.012Overview of Magnetometers Based on Nitrogen-vacancyCenters in DiamondLAN Zi-heng，XIE Yi-jin，ONG Xing(School of Physical Sciences，University of Science and Technology of China，Hefei 230026)Abstract:Magnetometry plays an irreplaceable part in many fields such as non-destructive testing，magnetic survey-ing，and navigation.In recent years，quantum sensing has gradually become the mainstream research direction in the fieldof magnetometry due to its high sensitivity.Compared to traditional methods，quantum sensing uses the sensitivity of quan-tum system to the environment to achieve accurate measurement of physical quantities，which has outstanding advantages insensitivity and other indicators.Nitrogen-vacancy(NV)centers in diamond is a kind of point defect in diamond，which issensitive to the magnetic field.NV centers can be initialized and read out by laser at room temperature.Thus，it is widelyused in magnetometry.Since it is put forward in 2008，the magnetometer based on NV centers has made a lot of progress insensitivity and application potential.For example，magnetometers based on NV centers have the sensitivity of up to subpi-cotesla(sub-pT)magnitude in both low-frequency and high-frequency domains.Besides，the stability of diamond lattice第 5/6 期蓝子桁等:基于金刚石氮-空位色心的磁力计概述makes NV centers ensemble have the advantages of high orthogonality in vector magnetometry，which could make contribu-tions to magnetic navigation.Nowadays，NV centers are widely applied in many fields such as biomagnetism signal meas-urement，imaging of eddy current and ore detection in paleomagnetism.In the future，magnetometers based on NV centersis going to develop miniature devices while improving performances，which can offer new solutions to the community.Key words:nitrogen-vacancy centers(NV)in diamond;quantum sensing;magnetometry;optical detected magneticresonance(ODM)0引言金刚石氮-空位(Nitrogen-vacancy，NV)色心是一种自旋量子体系，因其潜在室温大气环境下实现飞特斯拉(fT)量级磁测量灵敏度的优点，近年来成为了量子精密测量领域的研究前沿之一。如图 1所示，基于金刚石 NV 色心体系的磁测量按样品中NV 色心的浓度可分为 NV 色心系综和单 NV 色心两种，它们分别可以被用于高分辨率和高灵敏度磁测量。其中，单 NV 色心在大分子结构探测等领域应用广泛;基于 NV 色心系综的磁测量方法则在宏观磁场测量应用方面实现了不错的灵敏度并取得了一些研究进展。自金刚石 NV 色心于 2008 年被提出可用于磁测量应用以来1，大量研究工作也对这种磁力计在磁测量灵敏度优化和应用场景适应性改进等方面展开了研究攻关。其中，单 NV 色心被用来进行低至纳米(nm)尺度的微观检测，例如大分子结构的探测;而前些年 NV 色心系综磁力计的发展集中在提高灵敏度方面，分别从样品制备、激发方法、读出方法、脉冲序列、操控方法等方面进行了大量工作，对它的磁测量灵敏度进行了优化，目前最高已达到亚皮特斯拉(sub-pT)量级。同时，由于 NV 色心系综磁力计比基于单 NV色心的磁测量有更多宏观尺度的应用，不同类型的磁测量方法以及相应的装置也得到了研究。在这些研究中，磁力计测量的磁场特征更加多样，图 1金刚石 NV 色心磁力计的技术演化脉络图Fig.1Technologies evolution diagram of magnetometers based on NV centers in diamond321导航与控制2022 年第 5/6 期各研究团队还针对不同应用场景对磁力计进行了进一步的改进。在集成化方面，金刚石 NV 色心磁力计在微机电集成、探头集成以及光纤集成等方面的研究均有所进展。本文将从 NV 色心磁测量的原理入手展开介绍，再对从样品制备到实际应用的研究进展进行陈述。1背景介绍1.1金刚石氮-空位色心介绍金刚石氮-空位中心是金刚石中一种具有 C3V对称性的点缺陷，因为它具有吸收光从而使金刚石晶体展现出一定颜色的特性，故氮-空位中心也被称为 NV 色心。NV 色心一般有两种带电状态，分别是不带电荷的 NV0和带一个负电的 NV。因为 NV对外界耦合环境高度敏感而 NV0对外界影响不敏感，所以 NV被广泛用于量子精密测量，NV 色心磁力计也是利用了 NV对磁场的响应来对磁场进行测量，本文中如无特别说明，提到的所有 NV 色心均代指NV。在 NV中存在两个不成对电子，基态电子自旋 S=1，可以用光探测磁共振(Optically DetectedMagnetic esonance，ODM)的方法进行初始化和读出，也可以用微波对其进行相干操控。同时，NV 色心在室温和低温下均有较长的相干时间，这使其成为一个极有潜力的体系。金刚石 NV 色心的能级结构如图 2 所示。其中，NV 色心的基态能级为一个3A2自旋三重态，分别为 ms=0、ms=1 态。当无外磁场时，ms=1 两个态是简并的，而因为自旋-自旋相互作用，ms=0 态和它们之间存在 2.87GHz 的零场劈裂。其激发态是一个3E 自旋三重态，ms=0 和 ms=1 之间有 1.41GHz 的零场劈裂。基态和激发态之间还存在两个亚稳态1A1和1E，会对 NV 色心从激发态向基态跃迁的过程产生影响。532nm 的激光可以把 NV从基态激发到激发态，而电子从激发态向基态跃迁则存在直接从激发态到基态跃迁和经由两个亚稳态通过 ISC(Inter-system Crossing)机制回到基态两种路线。前者会发出 637nm 800nm 的荧光，后者则不会发出可见图 2NV 色心的能级结构Fig.2Energy level structure of NV centers光。其中，对于处于激发态的 ms=1 态的 NV 色心，通过两个亚稳态最终回到基态的 ms=0 态的概率更高。因此，在受到激光照射后，ms=1 态比ms=0 态能观测到更少的 637nm 800nm 的荧光光子，这使 ms=0 态通常被称为“亮态”，而 ms=1态通常被称为“暗态”。通过对大量 NV 色心(系综)同时被照射或者对单个 NV 色心多次重复实验的情况，人们可以通过荧光强度来判断 NV 色心的布居度。同时，连续的532nm 激光可以使 NV 色心的状态向基态的 ms=0 态聚集，这使 532nm 的激光可以被用来对 NV 色心进行初始化。更短波长的激光也可以对 NV 色心进行初始化和读出，但是会有更高的概率使 NV电离为 NV0，从而降低 NV 色心的极化度。因此，通常实验中使用 532nm 的绿色激光来对 NV 色心进行初态制备和读出。正是金刚石 NV 色心具有基态能级对磁场敏感，易于极化、相干操控和读出以及在室温大气环境下具较长相干时间等优势，使它在过去十余年中得到了广泛的研究。1.2金刚石氮-空位色心的哈密顿量与相干控制由上文可知，NV 色心的基态能级为一个3A2自旋三重态，由三个能级 ms=0 和 ms=1 组成。取普朗克常数 h=1，NV 色心电子自旋基态三重态的哈密顿量如下所示2H=H0+Hnuclear+Helec|strH0=DS2z+e(?S?B)(1)式(1)中，H0为 NV 色心电子自旋的零场劈裂421第 5/6 期蓝子桁等:基于金刚石氮-空位色心的磁力计概述以及其和外磁场的相互作用项。其中，D 为 NV 色心的 零 场 劈 裂 项，e为 电 子 旋 磁 比，?S=SxSySz为无量纲的自旋为 1 的算符，?B=BxByBz为外磁场，这里的 z 方向定义为 NV色心的主轴方向。Hnuclear为电子自旋与其临近氮核的相互作用，Helec|