磁测量是推动人类社会发展不可或缺的技术之一。近年来，以高探测灵敏度、高空间分辨率等关键指标作为牵引，多种量子体系被用于精密磁测量技术发展，金刚石氮-空位（NV）色心固态自旋体系就是其中之一。
据麦姆斯咨询报道，针对该领域研究，中国科学技术大学杜江峰教授团队在《计测技术》期刊上发表了题为“基于金刚石氮-空位色心的磁测量技术”的综述文章，简述了NV色心体系的精密磁测量技术及其应用研究；介绍了基于金刚石NV色心自旋体系磁测量的原理和优势，基于该体系的磁测量方法研究工作，以及面向材料成像和生命科学等领域开展的研究工作；指出了未来基于金刚石NV色心体系的精密磁测量技术有望发展新型矢量高灵敏度、高空间分辨率磁测量装备，为更多研究领域譬如地磁测绘、工业无损检测等重大应用提供新的支撑。
基于金刚石NV色心的磁测量原理
基于金刚石NV色心的磁测量基本原理为塞曼效应。当磁场发生变化时，NV色心电子基态塞曼分裂能级差的改变会对NV色心电子的自旋态产生影响。通过对NV色心进行光学读出，根据依赖于NV色心电子自旋态的荧光强度就可以反推得到磁场的变化量，从而完成磁测量。根据激发光和操控场在时域上的连续性，基于NV色心的磁测量方法可以分为连续波（CW）磁测量方法和脉冲（Pulsed）磁测量方法。
NV色心磁测量应用中的关键技术
实现基于金刚石NV色心的磁测量首先要搭建光探测磁共振（ODMR）实验系统。完整的ODMR实验系统主要包括：包含NV色心的金刚石敏感单元；用于金刚石样品激发和荧光收集的光学单元；操控NV色心电子自旋态的微波单元；系统整体控制与读出的电子学单元。除搭建系统所需的商用部件外，提升NV色心磁测量系统性能还需发展的关键技术包括：样品制备技术、高效光学激发技术、高效荧光收集技术以及微波天线设计技术等。
基于NV色心磁测量技术的发展与应用
NV色心作为一种高空间分辨率、高灵敏度的量子传感器，目前已经在物理学、生物医药学、材料科学等领域开展了应用研究。
研究展望
未来，基于NV色心的磁测量技术发展方向主要有两方面：灵敏度的进一步提升；集成化与小型化发展。灵敏度的提升主要工作将集中在金刚石样品性质优化和探测方法优化两个方面。样品的优化旨在提升NV色心的相干时间。从制备工艺上，可以减缓金刚石样品生长速度，从而减少杂质引入以及其它自旋缺陷产生。同时采用同位素纯化CVD方法，排除¹³C等同位素对NV色心弛豫造成的负面影响也是优化金刚石样品的有效方法之一。探测方法的优化可以从激发、操控与读出三方面入手，譬如：提升激发光利用效率，增加用于传感的NV色心数目；设计高转化效率、高均匀性微波辐射结构；提高荧光收集效率或发展新型非荧光读出方法。
集成化与小型化发展是实现NV色心磁测量技术到实际生产生活中应用的必经之路。短期内基于印制电路板技术、高频电路设计技术、模数混合电路设计技术、微波电路设计技术、硬件编程技术以及三维打印技术等，再结合现有可获得的商用光学、电子学、激光元器件，可实现基于印制集成电路的小型化金刚石磁强计板级设计。从中长期来看，基于微机电制造工艺，将金刚石样品与硅基器件乃至碳基器件结合，发展传感读出一体化的超高集成度小型化金刚石磁强计具有光明的前景。该磁强计可以被用于生物体内、高温高压等复杂环境的磁信号传感。
转载自：MEMS
