自帶“鉆石buff”，探索微觀世界的“量子之尺”！

出品：科普中國

作者：欒春陽（清華大學(xué)物理系博士）

監(jiān)制：中國科普博覽

磁場是一個人人都熟悉的概念，我們身處的地球磁場、礦藏勘探中的地質(zhì)磁學(xué)，甚至是生物醫(yī)學(xué)中的磁成像技術(shù)，都需要對磁場進行精密測量。

然而，原本就很微弱的磁場信息在測量過程中又容易受到干擾，極大地降低了磁場測量的精度，因此要精確測定磁場相關(guān)數(shù)值極為困難。

地磁場

（圖片來源：veer圖庫）

精密磁測量方案——基于磁共振效應(yīng)的尺子

常用的精密磁測量方案是利用磁共振效應(yīng)來探測具有一定頻率的交變磁場。具體而言，磁共振效應(yīng)是指在固體材料中，當(dāng)外加磁場的變化頻率滿足特定條件時，固定材料內(nèi)部的磁性微觀粒子能夠與頻率變化的磁場發(fā)生共振吸收的現(xiàn)象。

為了更加形象直觀地理解磁共振效應(yīng)，我們可以把磁共振效應(yīng)想象成一種特殊的“舞蹈節(jié)拍”。當(dāng)固定材料內(nèi)部的磁性微觀粒子被放置在一個恒定的外界磁場中時，它們就會像跳舞一樣各自隨機旋轉(zhuǎn)。但是如果這個外界磁場隨著某個特定的頻率開始變化，就好比給了它們一個舞蹈節(jié)拍，磁性微觀粒子就會按照這個頻率更加協(xié)調(diào)地“舞動”。

磁性微觀粒子與外界磁場發(fā)生磁共振的示意圖

（圖片來源：AI生成）

因此，科學(xué)家們就可以利用上述這種奇妙的磁共振性質(zhì)，來對外界磁場的細(xì)微變化進行精密測量，這也就是磁測量的基本原理?；诖殴舱裥?yīng)發(fā)展而來的磁場精密測量方案具有快速、準(zhǔn)確和非破壞性等獨特優(yōu)勢，已廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)和生活中。

通常而言，根據(jù)磁場測量對象的尺度不同，磁共振測量可以大致劃分為“宏觀磁共振測量”和“微觀磁共振測量”這兩種。其中，宏觀磁共振測量的空間分辨率通常在毫米量級，適用于觀察人體器官或較大生物樣本的磁共振成像，常用于臨床醫(yī)學(xué)診斷和研究；微觀磁共振測量的空間分辨率可以達(dá)到微米甚至納米量級，適用于細(xì)胞或生物分子水平上的磁共振成像，能夠揭示細(xì)胞內(nèi)部的代謝過程以及生物分子的結(jié)構(gòu)和動態(tài)等。

屬于傳統(tǒng)“宏觀磁共振測量”的人體核磁共振成像技術(shù)

（圖片來源：veer圖庫）

傳統(tǒng)的磁共振測量儀器大多只能進行宏觀磁共振測量，因而存在成像分辨率不高、測量精度不夠等問題。這意味著傳統(tǒng)的磁共振測量儀器無法用于探測尺度僅為納米量級的單個微觀粒子的磁學(xué)狀態(tài)。

為了滿足對單個微觀粒子進行磁共振測量的需求，科學(xué)家們再次將目光投向微觀的量子世界。他們希望再次利用奇妙的量子干涉效應(yīng)來構(gòu)造具有超高靈敏度的磁信號量子探測儀器，從而打造出一把用于微觀磁共振測量的“量子之尺”。

金剛石NV色心——自帶“鉆石buff”的測磁體系

在量子精密測量的眾多技術(shù)路徑中，有一種自帶“鉆石buff”的測磁體系能同時滿足上述的性能指標(biāo)，那就是金剛石NV色心方案?？茖W(xué)家們已經(jīng)利用這一方案構(gòu)造出了可用于微觀磁共振研究的磁信號量子探測儀器，且實現(xiàn)了高靈敏度以及高分辨率的磁測量。

為什么說它自帶“鉆石buff”呢？這是因為字母N代表英文單詞Nitrogen（氮），而字母V則代表英文單詞Vacancy（空位）。如下圖所示，金剛石NV色心的物理結(jié)構(gòu)其實就是，金剛石中一個碳原子被一個氮原子取代，相鄰位置上的碳原子又出現(xiàn)缺失而留下空位。通常情況下，NV色心會再捕獲一個額外的電子，從而形成了NV色心結(jié)構(gòu)。

金剛石氮-空位（NV）色心的結(jié)構(gòu)圖

（圖片來源：Wikipedia）

這里的“色心”則是一種晶體結(jié)構(gòu)的專有名詞，它是指晶體材料中能夠?qū)梢姽猱a(chǎn)生選擇性吸收的缺陷結(jié)構(gòu)。

早在1997年，科學(xué)家們就利用532nm波段的激光對金剛石內(nèi)的單個NV色心結(jié)構(gòu)，成功實現(xiàn)了光探測磁共振。經(jīng)過近三十年的發(fā)展，科學(xué)家已經(jīng)能夠通過光探測磁共振技術(shù)，以超高的保真度對金剛石NV色心的量子態(tài)進行了高效讀取。除此之外，科學(xué)家們還可以利用微波或者交變磁場，實現(xiàn)對金剛石NV色心電子自旋狀態(tài)的精確量子調(diào)控。

那如何用金剛石NV色心來實現(xiàn)精密的磁測量的呢？

金剛石氮-空位（NV）色心的光探測磁共振過程

（圖片來源：參考文獻[1]）

測磁的秘訣——量子世界的干涉效應(yīng)

其實，金剛石NV色心的測磁原理并沒有那么神秘，它和上一篇文章中介紹的原子團在重力場作用下發(fā)生的量子干涉過程十分類似，仍然利用了我們所熟知的量子干涉效應(yīng)。

簡單而言，量子干涉效應(yīng)是指一組處于量子疊加狀態(tài)的量子態(tài)，在完成“分束操作”后會各自獨立地進行演化。在各自獨立的演化過程中，每個路徑中的量子態(tài)就像一個個“小探針”，會在外界環(huán)境的作用下發(fā)生微小改變。這樣一來，當(dāng)這些演化后的量子態(tài)在完成“合束操作”后，每個“小探針”所感受到的相對演化信息就能被提取出來，從而準(zhǔn)確地反映出外界環(huán)境的物理信息。

如下圖所示，科學(xué)家們將金剛石NV色心的測磁過程分解為“初始態(tài)的分束”“獨立的相位路徑演化”,以及“相對相位測量”三個階段，從而利用量子干涉效應(yīng)來提取待測物體的磁信號，并且完成精密磁測量的過程：

（1）初始態(tài)的分束：將金剛石NV色心初始的自旋量子態(tài)，通過第一步的“分束”操作來制備到兩種不同的自旋量子態(tài)|↑?和|↓?的疊加態(tài)上，也就是形成兩個具有量子關(guān)聯(lián)性的“小探針”；

（2）獨立的相位路徑演化：在待測物體的磁信號的作用下，金剛石NV色心的兩種不同的自旋量子態(tài)↑和↓就等價為兩個“小探針”，并且會在外界環(huán)境的作用下發(fā)生微小改變。也就是說，這兩個“小探針”會在各自獨立的路徑中發(fā)生不同的相位演化，從而在兩種不同的演化路徑中積累特定的相位差；

（3）相對相位測量：在兩個“小探針”完成各自獨立的相位路徑演化后，我們就可以通過“合束操作”來提取每個“小探針”所感受到的相對演化信息，從而準(zhǔn)確地獲取兩種演化路徑發(fā)生的量子干涉信號，也就是得到待測磁信號的變化關(guān)系。

NV色心與待測磁信號的干涉測量過程

（圖片來源：參考文獻[2]）

一般而言，金剛石NV色心測磁體系的靈敏度通?？梢赃_(dá)到~10-5 Gauss（高斯，磁場的強度單位）以上，其空間分辨率可以達(dá)到～0.1 納米（亞納米的量級），從而具有傳統(tǒng)測磁體系難以企及的測量精度。

除此之外，對于某些傳統(tǒng)的高精度測磁體系，例如超導(dǎo)量子干涉裝置（SQUID）或原子磁力計，它們需要額外的低溫制冷裝置來提高測量的靈敏度，并且抑制環(huán)境的熱噪聲。

相比而言，金剛石NV色心測磁體系在室溫大氣環(huán)境下就可以正常工作，并且無需低溫制冷裝置。值得一提的是，單個金剛石NV色心的空間尺寸只有原子級，這就意味著金剛石NV色心測磁體系可以進一步完成芯片化和微型化。

各種測磁體系的指標(biāo)對比

（圖片來源：參考文獻[3]）

未來已來，“量子之尺”開始展露鋒芒

金剛石NV色心測磁體系的獨有優(yōu)勢已經(jīng)在地質(zhì)磁學(xué)、生物醫(yī)藥以及工程測磁等領(lǐng)域展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。

2022年，來自中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)中國科學(xué)院微觀磁共振重點實驗室杜江峰、石發(fā)展、孔飛等人組成的研究團隊，利用金剛石NV色心量子傳感器，實現(xiàn)了~10-12T（皮特斯拉量級）超高靈敏度的測磁精度。相比于之前最優(yōu)的測磁精度記錄，該研究結(jié)果的測量靈敏度提升了近十萬倍。

基于金剛石NV色心體系，實現(xiàn)皮特斯拉量級超高靈敏度的磁測量

（圖片來源：參考文獻[4]）

在地質(zhì)磁學(xué)的研究方面，由于地質(zhì)巖石在形成之初就受到地磁場的磁化作用，因此，科學(xué)家們通過研究地質(zhì)巖石樣品的磁性，就可以分析并理解地球磁場強度和方向的演化規(guī)律。

而早在2017年，來自美國哈佛大學(xué)和麻省理工學(xué)院的聯(lián)合研究團隊，就利用金剛石NV色心體系對地質(zhì)巖石樣品表面的磁場分布進行精確測量，從而成功獲取了巖石樣品豐富的磁學(xué)信息。

使用金剛石NV色心測磁體系對地質(zhì)巖石樣品進行微米級磁成像

（圖片來源：參考文獻[5]）

在生物醫(yī)藥的研究領(lǐng)域，細(xì)胞磁成像是精確探測和分析生物組織的有效表征手段。傳統(tǒng)的磁成像手段存在空間分辨率不夠高，以及無法直接用于活體細(xì)胞樣品的使用限制，而金剛石NV色心測磁儀器區(qū)別于傳統(tǒng)的手段，可以直接用于活細(xì)胞的磁成像，對生物醫(yī)藥的研究具有重要的科研價值。

金剛石NV色心測磁儀器可以直接用于活細(xì)胞的磁成像

（圖片來源：參考文獻6）

在工程測磁等工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域，金剛石NV色心測磁儀器可以緊貼在待測芯片的表面，實時監(jiān)測待測芯片周邊的磁場分布情況。

由于芯片中的電流密度分布會導(dǎo)致周邊磁場分布情況的改變，我們就可以利用金剛石NV色心測磁體系來獲取待測芯片的電流密度分布信息，從而實現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)中的全過程質(zhì)量監(jiān)測。

利用金剛石NV色心測磁儀器對芯片周圍的磁場分布進行實時監(jiān)測

（圖片來源：參考文獻[7]）

結(jié)語

金剛石NV色心測磁體系在地質(zhì)磁學(xué)、生物醫(yī)藥，以及工程測磁等領(lǐng)域展現(xiàn)出獨特的應(yīng)用價值。隨著量子精密測量技術(shù)的蓬勃發(fā)展，一大批精密測量儀器正在朝著商業(yè)化發(fā)展之路邁進，我們可以預(yù)見，在不久的將來，越來越多的量子精密測量儀器將走出實驗室，走進人們的日常生活，“量子之尺”必將為我們揭示更廣闊的世界。

參考文獻

[1] Xie Y, Geng J, Yu H, et al. Dissipative quantum sensing with a magnetometer based on nitrogen-vacancy centers in diamond[J]. Physical Review Applied, 2020, 14(1): 014013.

[2] 彭世杰, 劉穎, 馬文超, 等. 基于金剛石氮-空位色心的精密磁測量[J]. 物理學(xué)報, 2018, 67(16): 163200.

[3] Degen C. Microscopy with single spins[J]. Nature nanotechnology, 2008, 3(11): 643-644.

[4] Wang Z, Kong F, Zhao P, et al. Picotesla magnetometry of microwave fields with diamond sensors[J]. Science Advances, 2022, 8(31): eabq8158.

[5] Glenn D R, Fu R R, Kehayias P, et al. Micrometer‐scale magnetic imaging of geological samples using a quantum diamond microscope[J]. Geochemistry, Geophysics, Geosystems, 2017, 18(8): 3254-3267.

[6] Le Sage D, Arai K, Glenn D R, et al. Optical magnetic imaging of living cells[J]. Nature, 2013, 496(7446): 486-489.

[7] Turner M J, Langellier N, Bainbridge R, et al. Magnetic field fingerprinting of integrated-circuit activity with a quantum diamond microscope[J]. Physical Review Applied, 2020, 14(1): 014097.