單量子態(tài)的探測(cè)與調(diào)控及分子尺度的成像技術(shù)是精密譜學(xué)儀器發(fā)展的重要方向。隨著對(duì)磁探測(cè)技術(shù)的深入探索，國(guó)儀量子自主生產(chǎn)研發(fā)的量子鉆石單自旋譜儀，基于摻雜金剛石中的氮-空位體系的譜學(xué)技術(shù)，具有超高的磁探測(cè)本領(lǐng)，在物理、化學(xué)、生物、材料、醫(yī)學(xué)等不同的學(xué)科具有廣泛而重要的應(yīng)用前景[1-11]。

測(cè)磁技術(shù)的發(fā)展

圖1:各種測(cè)磁技術(shù)的指標(biāo)對(duì)比

自旋磁共振技術(shù)是目前為止發(fā)展最為成熟、應(yīng)用最廣泛的傳統(tǒng)技術(shù)之一。磁探測(cè)相關(guān)譜儀具有悠久的發(fā)展歷史，而實(shí)現(xiàn)磁共振探測(cè)也具有不同的方法，并且有各自的優(yōu)缺點(diǎn)。圖1直觀的展示了霍爾傳感器、SQUID探測(cè)器和自旋磁共振等幾種通用技術(shù)手段在靈敏度和分辨率上的分布[12]，相較傳統(tǒng)的測(cè)磁技術(shù)，基于金剛石的磁共振方法在這兩個(gè)核心指標(biāo)上都有較大的提升，這為我們研發(fā)量子鉆石單自旋譜儀提供了有力參考。

20世紀(jì)50年代，霍爾傳感器已經(jīng)在實(shí)驗(yàn)室磁場(chǎng)測(cè)量中普遍使用，這類探測(cè)器是基于霍爾效應(yīng)對(duì)外界磁場(chǎng)直接測(cè)量[13]。當(dāng)磁場(chǎng)方向與回路中電流方向不同時(shí)，由于洛倫茲力的作用，導(dǎo)體內(nèi)的電子發(fā)生偏轉(zhuǎn)而產(chǎn)生電勢(shì)差，通過(guò)電勢(shì)差來(lái)直接測(cè)量磁場(chǎng)大小。磁場(chǎng)探頭主要有由半導(dǎo)體晶體組成，能夠被制成單片集成電路，抗震性好，易于使用，但是精度不夠。

超導(dǎo)量子干涉儀(SQUID)是基于約瑟夫森結(jié)的磁通傳感器[14]，利用約瑟夫森結(jié)兩端的電壓隨閉合環(huán)路中外界磁通量的變化，可以測(cè)量微弱的磁信號(hào)。20世紀(jì)60年代，Robert等人研制成功了SQUID。此類測(cè)磁技術(shù)磁探測(cè)靈敏度較高，但是儀器需要在低溫環(huán)境下工作，且價(jià)格昂貴。

基于鉆石體系的微觀磁探測(cè)是新興的磁共振探測(cè)方法。該技術(shù)結(jié)合了光探測(cè)磁共振技術(shù)(ODMR)和金剛石中氮-空位(NV)色心的點(diǎn)缺陷，其工作原理是將NV色心制備成量子干涉儀，利用雙共振技術(shù)實(shí)現(xiàn)高靈敏高空間分辨的磁信號(hào)探測(cè)。這種技術(shù)不需要低溫及高真空極端化學(xué)條件下就可以正常工作，相比前面幾種測(cè)磁技術(shù)，其具有更高的商業(yè)應(yīng)用價(jià)值。

對(duì)磁場(chǎng)進(jìn)行高分辨率、高靈敏度的測(cè)量在工程技術(shù)領(lǐng)域有著重要的價(jià)值。當(dāng)前已有的探測(cè)手段已經(jīng)不能滿足微觀磁共振對(duì)高分辨率、高靈敏度技術(shù)發(fā)展的需要，例如在微觀尺度的成像方面，原子力顯微鏡(AFM)和掃描隧道顯微鏡(STM)等技術(shù)空間分辨率和探針尺寸相當(dāng)，因此，要實(shí)現(xiàn)高空間分辨率，單原子是最 佳的選擇，而利用量子干涉儀，將弱磁信號(hào)轉(zhuǎn)化成相位，可以實(shí)現(xiàn)高靈敏度的磁信號(hào)探測(cè)。

NV色心的應(yīng)用

根據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道，NV色心單自旋體系空間分辨率可達(dá)5 nm以下[15]，測(cè)磁靈敏度最 高能達(dá)到[16]，這使得NV色心體系成為高分辨磁探測(cè)的有力候選者。由于金剛石NV色心室溫下相干時(shí)間可以長(zhǎng)達(dá)ms量級(jí)，可以被定位至小于10 nm的精度，電子自旋對(duì)外界磁場(chǎng)非常靈敏，以及NV色心與樣品之間距離可以小于5 nm等優(yōu)點(diǎn)，因此，NV色心可以做成一種非常強(qiáng)大的單量子傳感器。

NV色心具有多電子態(tài)能級(jí)結(jié)構(gòu)[17]，處于激發(fā)態(tài)能級(jí)的NV色心有兩個(gè)競(jìng)爭(zhēng)的退激發(fā)路徑：自發(fā)輻射躍遷回到基態(tài)及系間穿越弛豫到基態(tài)。而這兩條反應(yīng)路徑的發(fā)生概率取決于NV色心基態(tài)的自旋狀態(tài)，因此可以通過(guò)收集熒光信號(hào)讀出自旋態(tài)|ms = 0? 的概率，并且通過(guò)光共振激發(fā)能夠?qū)V色心進(jìn)行初始化。更為重要的是，當(dāng)電子自旋處在疊加態(tài)時(shí)，在外界磁場(chǎng)下的動(dòng)力學(xué)演化會(huì)積累相對(duì)相位，如此便將收集的熒光信號(hào)和磁場(chǎng)大小關(guān)聯(lián)起來(lái)。

2008年，Lukin研究組和Wrachtrup研究組幾乎同時(shí)發(fā)現(xiàn)了NV色心具有優(yōu)良的磁場(chǎng)感應(yīng)能力，提出NV色心體系可用于高分辨率高靈敏度的磁測(cè)量[18-19]。2012年，Wrachtrup等人實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了單核自旋探測(cè)的原理性[20]。2013年，文獻(xiàn)報(bào)道了利用金剛石NV色心作為探針對(duì)有機(jī)樣品質(zhì)子探測(cè)，實(shí)現(xiàn)了5 nm的微觀核磁共振[21]。因此，金剛石NV色心單自旋體系在傳感和探測(cè)的應(yīng)用逐漸發(fā)展來(lái)，作為磁探測(cè)史上的新興技術(shù)具有現(xiàn)實(shí)可行性，研制相關(guān)的譜學(xué)儀器迫在眉睫。

量子鉆石單自旋譜儀

圖2所示，市場(chǎng)上全 球 領(lǐng) 先的技術(shù)公司，像布魯克、西門子、飛利浦等研發(fā)生產(chǎn)的相關(guān)磁共振產(chǎn)品均基于傳統(tǒng)磁共振技術(shù)，例如NMR(核磁共振)、EPR(電子順磁共振)、MRI (核共振成像)等磁共振譜儀。然而，基于鉆石NV單自旋體系為原理的磁共振譜儀，市場(chǎng)上還未有商業(yè)化儀器出現(xiàn)。

圖2:量子鉆石單自旋譜儀

目前，國(guó)儀量子已掌握基于NV體系的核心技術(shù)，并具備成熟的制造工藝，成功研制了量子鉆石單自旋譜儀，譜儀實(shí)物圖外貌如圖3所示。該譜儀通過(guò)控制光、電、磁等基本物理量，利用ODMR技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)鉆石中氮—空位(NV色心)發(fā)光缺陷的自旋進(jìn)行量子操控與讀出，與傳統(tǒng)順磁共振、核磁共振相比，譜儀具有以下特點(diǎn):

1. 初態(tài)是量子純態(tài)，易于初始化、操控和讀出;NV色心的基態(tài)電子自旋態(tài)可以通過(guò)光躍遷進(jìn)行量子態(tài)的初始化和讀出，利用微波進(jìn)行量子態(tài)的操控。

2. 自旋量子相干時(shí)間長(zhǎng),長(zhǎng)相干時(shí)間能夠保證較長(zhǎng)的相干操控及光信號(hào)積累。　

3. 超高靈敏度與超高分辨率;由于NV色心的光學(xué)性質(zhì)及其電子波函數(shù)特性，制備的單量子干涉儀測(cè)量磁場(chǎng)靈敏度可達(dá)10-9 T量級(jí)，NV色心系綜甚至達(dá)到了10-13 T量級(jí)，其磁場(chǎng)測(cè)量空間分辨率可達(dá)到亞納米。

4. 可以在室溫大氣條件下運(yùn)行，對(duì)于生物樣品有良好的兼容性?！?/p>

5. 具備高保真度量子自旋態(tài)調(diào)控技術(shù)，通過(guò)自主研發(fā)的50 ps時(shí)間精度脈沖發(fā)生器以及寬帶高功率微波調(diào)制器件，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)自旋低噪聲、高效、快速的量子相干操控。下文圖4為裝置拓?fù)鋱D，譜儀配套了高智能化控制與信號(hào)采集軟件，能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)光路調(diào)節(jié)、自動(dòng)磁場(chǎng)調(diào)節(jié)以及長(zhǎng)時(shí)間的無(wú)人值守自動(dòng)測(cè)樣實(shí)驗(yàn)。

圖3：儀器系統(tǒng)架構(gòu)示意圖

國(guó)儀量子研發(fā)團(tuán)隊(duì)同時(shí)具有完善的高品質(zhì)金剛石探針制備工藝，可以自主制備長(zhǎng)相干時(shí)間、高穩(wěn)定度的金剛石探針，能夠達(dá)到比同類產(chǎn)品更高的技術(shù)指標(biāo)。

基于以上NV固態(tài)體系的各種優(yōu)勢(shì)，此技術(shù)已在量子計(jì)算、磁探測(cè)、電探測(cè)及生物探測(cè)有較為成熟的應(yīng)用。在量子計(jì)算領(lǐng)域，NV色心可以作為非常好的量子信息存儲(chǔ)和調(diào)控的室溫固體單自旋材料[1-5]。例如利用NV色心體系，演示了D-J算法，大數(shù)分解算法等，為計(jì)算效率的提高帶來(lái)極大幫助。

在精密測(cè)量領(lǐng)域，基于金剛石氮-空位色心的精密測(cè)量技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)電場(chǎng)、磁場(chǎng)、溫度、應(yīng)力等物理量的精密測(cè)量，并且賦能于科研、教育、能源、安全、健康、工業(yè)等各行各業(yè)。例如在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，對(duì)活體細(xì)胞磁場(chǎng)[6]、溫度探測(cè)[7]，以及對(duì)神經(jīng)單元電位探測(cè)[8]等;在材料科學(xué)領(lǐng)域，利用ODMR技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)不同材料光學(xué)性質(zhì)和幾何結(jié)構(gòu)的研究[9-11]。

金剛石NV色心為核心的量子鉆石單自旋譜儀在磁探測(cè)領(lǐng)域嶄露頭角，滿足未來(lái)磁共振成像對(duì)高分辨率高靈敏度的商業(yè)化需求。隨著微納加工技術(shù)的發(fā)展、譜儀性能的進(jìn)一步提升，越來(lái)越多學(xué)科交叉領(lǐng)域的相關(guān)應(yīng)用得到深入挖掘。相信不久的未來(lái)NV色心的量子精密測(cè)量技術(shù)將在國(guó)內(nèi)外得到大范圍的推廣，前景令人期待。

參考文獻(xiàn)

[1] Rong, X., J. Geng, F. Shi, Y. Liu, K. Xu, W. Ma, F. Kong, Z. Jiang, Y. Wu and J. Du (2015). "Experimental fault-tolerant universal quantum gates with solid-state spins under ambient conditions." Nature Communications 6.

[2] Waldherr, Gerald, et al. "Quantum error correction in a solid-state hybrid spin register." Nature 506.7487 (2014): 204.

[3] Xu, Kebiao, et al. "Experimental adiabatic quantum factorization under ambient conditions based>

[4] Lai, Y.-Y., G.-D. Lin, J. Twamley and H.-S. Goan (2018). "Single-nitrogen-vacancy-center quantum memory for a superconducting flux qubit mediated by a ferromagnet." Physical Review A 97(5).

[5] Jelezko F, Wrachtrup J. 2006. Single defect centres in diamond: a review. Phys. Stat. Solidus A 203: 3207 – 25.

[6] Le Sage, David, et al. "Optical magnetic imaging of living cells." Nature 496.7446 (2013): 486.

[7] Kucsko, Georg, et al. "Nanometre-scale thermometry in a living cell." Nature 500.7460 (2013): 54.

[8] Barry, John F., et al. "Optical magnetic detection of single-neuron action potentials using quantum defects in diamond." Proceedings of the National Academy of Sciences 113.49 (2016): 14133-14138.

[9] Chen, W. M. M. (2000). "Applications of optically detected magnetic resonance in semiconductor layered structures." Thin Solid Films 364(1-2): 45-52.

[10] Koehl, W. F., B. Diler, S. J. Whiteley, A. Bourassa, N. T. Son, E. Janzen and D. D. Awschalom (2017). "Resonant optical spectroscopy and coherent control of Cr4+ spin ensembles in SiC and GaN." Physical Review B 95(3): 8.

[11] Soltamov, V. A., I. V. Ilyin, A. S. Gurin, D. O. Tolmachev, N. G. Romanov, E. N. Mokhov, G. V. Mamin, S. B. Orlinskii and P. G. Baranov (2013). EPR and ODMR defect control in AlN bulk crystals. Physica Status Solidi C: Current Topics in Solid State Physics, Vol 10, No 3. A. Toropov and S. Ivanov. 10: 449-452.

[12] Degen, C., NANOSCALE MAGNETOMETRY Microscopy with single spins. Nat. Nanotechnol. 2008, 3 (11), 643-644.

[13] E.H.Hall.On a New Action of the Magnet>

[14] Drung, D.; Assmann, C.; Beyer, J.; Kirste, A.; Peters, M.; Ruede, F.; Schurig, T., Highly sensitive and easy-to-use SQUID sensors. Ieee Transactions>

[15] Staudacher, T., et al. (2013). "Nuclear Magnetic Resonance Spectroscopy>

[16] Balasubramanian, S., et al. (2009). "Non Cell-Autonomous Reprogramming of Adult Ocular Progenitors: Generation of Pluripotent Stem Cells Without Exogenous Transcription Factors." Stem Cells 27(12): 3053-3062.

[17] Peng, S.; Liu, Y.; Ma, W.; Shi, F.; Du, J., High-resolution magnetometry based>

[18] Maze, J. R., et al. (2008). "Nanoscale magnetic sensing with an individual electronic spin in diamond." Nature 455(7213): 644-U641.

[19] Bentley, D. R., et al. (2008). "Accurate whole human genome sequencing using reversible terminator chemistry." Nature 456(7218): 53-59.

[20] Zhao, N., et al. (2012). "Sensing single remote nuclear spins." Nature Nanotechnology 7(10): 657-662.

[21] Mamin, H. J., et al. (2013). "Nanoscale Nuclear Magnetic Resonance with a Nitrogen-Vacancy Spin Sensor." Science 339(6119): 557-560.

標(biāo)簽：量子實(shí)驗(yàn)平臺(tái)