实现纳米尺度亚纳特斯拉测磁灵敏度的单自旋量子传感技术

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随着科学的进步，越来越多的研究关注微观领域，并自然需要在微观尺度上检测磁场。然而，目前已经发明的磁强计的性能仍需较大提升以满足各类需求，尤其是在微观尺度上。气态原子系综和超导量子干涉仪是目前最敏感的两类磁强计，但在较小的尺度上，其灵敏度会显著降低。而金刚石中的单个氮-空位色心在纳米尺度上具有出色的性能，但灵敏度较低。将分辨率和灵敏度两个指标综合考虑并加以提升将为微介观尺度研究带来新的机遇。

中国科技大学物理学院和中国科学院微观磁共振重点实验室近期通过结合多种量子技术，实现了纳米尺度上0.5 nT/√Hz的测磁灵敏度，为研究微观磁现象和检测生命活动提供了新的可能性。此成果已经发表于《国家科学评论》2023年第12期，标题为 “Sub-nanotesla sensitivity at the nanoscale with a single spin”，石发展和杜江峰教授领导了该研究。

针对磁场测量中灵敏度和空间分辨率的综合需求，该研究使用金刚石氮-空位色心单自旋作为磁场传感器。通过融合优化实时反馈电荷态初始化、形状脉冲高保真度操控、动力学解耦和重复读出等量子技术，同时克服了近表面氮-空位色心的主要缺点，如短相干时间、低初始化保真度和低读出效率等，在纳米尺度实现0.5 nT/√Hz的测磁灵敏度。这是目前室温下单个氮-空位色心的最高记录，也是磁测量领域各技术手段中灵敏度和空间分辨率最优的综合指标，即从能量分辨率方面来看表现出色，达到了0.18 ± 0.01 ℏ的最优指标，超过了所有其他磁强计。实验中使用的氮-空位色心位于钻石表面附近，通过控制氮-空位色心的深度，可以适应不同应用场景的需求。