出品：科普中國

作者：欒春陽（清華大學物理系博士）

監制：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、礦藏勘探中的地質磁學，甚至是生物醫學中的磁成像技術，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數值極為困難。

地磁場

（圖片來源：veer圖庫）

精密磁測量方案——基于磁共振效應的尺子

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

為了更加形象直觀地理解磁共振效應，我們可以把磁共振效應想象成一種特殊的“舞蹈節拍”。當固定材料內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。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拍，磁性微觀粒子就會按照這個頻率更加協調地“舞動”。

磁性微觀粒子與外界磁場發生磁共振的示意圖

（圖片來源：AI生成）

因此，科學家們就可以利用上述這種奇妙的磁共振性質，來對外界磁場的細微變化進行精密測量，這也就是磁測量的基本原理。基于磁共振效應發展而來的磁場精密測量方案具有快速、準確和非破壞性等獨特優勢，已廣泛應用于生產和生活中。

通常而言，根據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，常用于臨床醫學診斷和研究；微觀磁共振測量的空間分辨率可以達到微米甚至納米量級，適用于細胞或生物分子水平上的磁共振成像，能夠揭示細胞內部的代謝過程以及生物分子的結構和動態等。

屬于傳統“宏觀磁共振測量”的人體核磁共振成像技術

（圖片來源：veer圖庫）

傳統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狀態。

為了滿足對單個微觀粒子進行磁共振測量的需求，科學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來構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，那就是金剛石NV色心方案?？茖W家們已經利用這一方案構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色心的物理結構其實就是，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色心結構。

金剛石氮-空位（NV）色心的結構圖

（圖片來源：Wikipedia）

這里的“色心”則是一種晶體結構的專有名詞，它是指晶體材料中能夠對可見光產生選擇性吸收的缺陷結構。

早在1997年，科學家們就利用532nm波段的激光對金剛石內的單個NV色心結構，成功實現了光探測磁共振。經過近三十年的發展，科學家已經能夠通過光探測磁共振技術，以超高的保真度對金剛石NV色心的量子態進行了高效讀取。除此之外，科學家們還可以利用微波或者交變磁場，實現對金剛石NV色心電子自旋狀態的精確量子調控。

那如何用金剛石NV色心來實現精密的磁測量的呢？

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

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。

簡單而言，量子干涉效應是指一組處于量子疊加狀態的量子態，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就像一個個“小探針”，會在外界環境的作用下發生微小改變。這樣一來，當這些演化后的量子態在完成“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，從而準確地反映出外界環境的物理信息。

如下圖所示，科學家們將金剛石NV色心的測磁過程分解為“初始態的分束”“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）初始態的分束：將金剛石NV色心初始的自旋量子態，通過第一步的“分束”操作來制備到兩種不同的自旋量子態|↑?和|↓?的疊加態上，也就是形成兩個具有量子關聯性的“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↑和↓就等價為兩個“小探針”，并且會在外界環境的作用下發生微小改變。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，從而準確地獲取兩種演化路徑發生的量子干涉信號，也就是得到待測磁信號的變化關系。

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常可以達到~10-5 Gauss（高斯，磁場的強度單位）以上，其空間分辨率可以達到～0.1 納米（亞納米的量級），從而具有傳統測磁體系難以企及的測量精度。

除此之外，對于某些傳統的高精度測磁體系，例如超導量子干涉裝置（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勢已經在地質磁學、生物醫藥以及工程測磁等領域展現出廣闊的應用前景。

2022年，來自中國科學技術大學中國科學院微觀磁共振重點實驗室杜江峰、石發展、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。相比于之前最優的測磁精度記錄，該研究結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]）

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

而早在2017年，來自美國哈佛大學和麻省理工學院的聯合研究團隊，就利用金剛石NV色心體系對地質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信息。

使用金剛石NV色心測磁體系對地質巖石樣品進行微米級磁成像

（圖片來源：參考文獻[5]）

在生物醫藥的研究領域，細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胞樣品的使用限制，而金剛石NV色心測磁儀器區別于傳統的手段，可以直接用于活細胞的磁成像，對生物醫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胞的磁成像

（圖片來源：參考文獻6）

在工程測磁等工業生產領域，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，從而實現工業生產中的全過程質量監測。

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測

（圖片來源：參考文獻[7]）

結語

金剛石NV色心測磁體系在地質磁學、生物醫藥，以及工程測磁等領域展現出獨特的應用價值。隨著量子精密測量技術的蓬勃發展，一大批精密測量儀器正在朝著商業化發展之路邁進，我們可以預見，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.

來源: 中國科普博覽

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