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      完美中的“瑕疵” 鉆石也能加持量子精密測量
      2022/5/19 9:17:37 閱讀: 228次
      精密的測量技術可以為發現新科學提供機遇,也能為其他技術發展提供強有力的支持。量子力學這一前沿科技其實早就已經逐漸深入公眾的生活,量子精密測量是作為基于量子力學原理發展起來的精密測量技術,相關技術的研究與信息、材料、能源和化學學科的交叉發展孕育著重大的科學突破。
       
        自旋磁共振技術是目前為止發展成熟、應用廣泛的傳統測量技術之一,同時也是當代科學中相當重要的物質探索技術之一。自旋磁共振及數能夠用來準確、快速和無破壞性地獲取物質的組成和結構上的信息,再結合上新興的量子調控技術,有望成為未來走向微觀物質探測的重要手段。
       
        鉆石這種經過琢磨的精鋼石,不僅能夠作為珠寶裝飾品,同時也是頗具研究價值的新型量子材料。一個氮原子替代了金剛石晶格中的一個碳,鄰近位置同時存在一個碳原子的空位,因此被稱為金剛石氮—空位(NV)色心。這種缺陷能夠發出彩色光子,并攜帶周圍磁場和電廠的量子信息,能夠用于生物傳感、目標探測和其他傳感應用。
       
        1997年,科學家們采用共聚焦顯微成像,第一次觀測到單個NV色心的信號。并從2004年實現單自旋量子調控和兩比特門后,基于NV色心的量子信息處理研究的進展迅速。2013年,科學家們利用NV作為探針測量金剛石外有機樣品中質子信號,已經實現了5nm和24nm尺度的微觀核磁共振。
       
        NV色心是實現量子信息處理和量子精密測量的重要平臺,其室溫下優良的光讀出、極化性質以及毫秒量級的相干時間,使得它成為目前最成功的的單自旋磁共振體系之一。用NV單自旋體系實現高分辨率和高靈敏度的磁探測是很好的選擇,并且發展基于此體系的圍觀磁共振技術也迫在眉睫。
       
        金剛石僅表面磁噪聲環境復雜,NV色心也容易受到此信號的干擾。為此,我國科研人員設計了一種連續動力學解耦序列,形成特定的綴飾態空間,從而有效抑制NV色心對磁場的相應,同時也保留了對電場的線性響應,從而構建了一個更加有效地電信號量子傳感器。這一成果有望在材料的電磁性質表征領域得到重要應用,還使之能夠用于凝聚態以及半導體等材料的電信號表征。
       
        中國科學技術大學杜江峰院士團隊建立光學檢測磁共振寬場顯微鏡,通過檢測金剛石NV中心的連續波(CW)光譜來實現腫瘤組織磁共振成像,對腫瘤生物標志物進行磁成像和量化。該項研究為人類疾病的組織學檢查提供了一種有吸引力的方法,補充了現有的組織成像方法,豐富了磁共振技術。同時,這個基于NV的磁顯微鏡還能夠在組織水平上以亞微米或亞細胞分辨率對動物磁感受中的各種MRI造影劑、磁性粒子和磁性分子進行成像、量化和分析。
       
        就在近日,中國科學院上海微系統與信息技術研究所傳感技術國家重點實驗室基于晶圓級微機電工藝平臺,利用標準微納加工技術,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,實現了“光進光出”工作模式,縮小了探頭尺寸,實現了鉆石磁強計探頭的高集成度。
       
        他們進一步研究表明,采用雙頻共振技術可以同時進行磁場和溫度場的同步實時測量,不僅能夠通過溫漂抑制提高磁場測量的信噪比,同時確保了傳感器溫度的穩定性,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小于0.5毫米(甚至更小)的目標區域進行近距離測量,具有在心磁、腦磁等弱磁信號探測場景的應用潛力,為后續實用化的可穿戴生物磁傳感器奠定研究基礎。
       
        純凈璀璨的鉆石自古以來便受到人們的喜愛,也是現代所公認的寶石之王。而氮—空位缺陷的研究表明,有時候完美中出現瑕疵,也未必是一件壞事。并且基于NV色心的量子精密測量,突破了傳統磁共振技術所受到的諸多限制,單分子磁共振已經初步實現,磁共振成像也逐漸納入納米甚至亞納米尺度。利用現有NV測量技術真正解決相關領域的重大問題,既是人們對該方向的期望,也是新的探測手段能夠得到認可的必經之路。
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