連續(xù)外差檢測(cè)的基本原理。(A) NV 中心的簡(jiǎn)化能級(jí)。∣±1> 狀態(tài)可以極化為 ∣0> 狀態(tài)，速率為 Γp。共振微波解決了 ∣0> ↔ ∣1> 自旋躍遷。(B) 不同大小的微波驅(qū)動(dòng)的 NV 中心的演化。對(duì)于強(qiáng)微波，自旋態(tài)在∣0>和∣1>之間呈現(xiàn)拉比振蕩，頻率Ω與微波幅度成正比。對(duì)于弱微波，振蕩以與微波幅度的平方成比例的速率衰減為指數(shù)衰減。（C 和 D）直接和外差檢測(cè)的比較。激光誘導(dǎo)極化和微波誘導(dǎo)弛豫之間的競(jìng)爭(zhēng)導(dǎo)致平衡自旋態(tài)。對(duì)于直接檢測(cè) (C)，恒定的微波幅度會(huì)產(chǎn)生直流熒光信號(hào)。對(duì)于外差檢測(cè) (D)，微波干擾會(huì)產(chǎn)生隨時(shí)間變化的幅度，從而產(chǎn)生交流熒光信號(hào)。來(lái)源：科學(xué)進(jìn)展（2022 年）。DOI: 10.1126/sciadv.abq8158

微波場(chǎng)傳感器在實(shí)踐中對(duì)于天文學(xué)和通信工程的各種應(yīng)用非常重要。金剛石中的氮空位中心允許磁力測(cè)量靈敏度、穩(wěn)定性和與環(huán)境條件的兼容性。盡管如此，現(xiàn)有的基于氮空位中心的磁力計(jì)在微波波段的靈敏度有限。

在現(xiàn)在發(fā)表在《科學(xué)進(jìn)展》上的一份新報(bào)告中，王澤慶和中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)的一組科學(xué)家提出了一種連續(xù)的外差檢測(cè)方案，以改善傳感器在沒(méi)有自旋控制的情況下對(duì)微弱微波的響應(yīng)。該團(tuán)隊(duì)通過(guò)指定傳感器體積內(nèi)的氮空位中心集合實(shí)現(xiàn)了8.9 pTHz -1/2的微波靈敏度。這項(xiàng)工作可以使基于金剛石的微波傳感器的實(shí)際應(yīng)用受益。

微波傳感的高級(jí)應(yīng)用

通過(guò)微場(chǎng)檢測(cè)方法的進(jìn)步，可以提高從無(wú)線通信到電子順磁共振和天文觀測(cè)的大多數(shù)現(xiàn)代應(yīng)用的靈敏度。在過(guò)去的十年中，研究人員已經(jīng)開(kāi)發(fā)出各種具有增強(qiáng)功能的量子傳感器。其中，氮空位中心以其獨(dú)特的片上檢測(cè)特性而被識(shí)別，盡管它的靈敏度相對(duì)較低�？茖W(xué)家可以使用氮空位集合來(lái)顯著提高金剛石磁力計(jì)的靈敏度。

在這項(xiàng)工作中，Wang 等人提出了一種連續(xù)外差檢測(cè)方案，通過(guò)引入適度和輕微失諧的輔助微波來(lái)改善傳感器對(duì)弱微波場(chǎng)的響應(yīng)。結(jié)果使該方案適用于更大的金剛石傳感器，具有更高的靈敏度，具有很大的實(shí)際效益。

進(jìn)行實(shí)驗(yàn)并優(yōu)化靈敏度

氮空位電子自旋保持三重基態(tài)，包括一個(gè)亮態(tài)和兩個(gè)簡(jiǎn)并暗態(tài)，可以被外部磁場(chǎng)提升。該團(tuán)隊(duì)移除了復(fù)雜的控制脈沖，以便在簡(jiǎn)單的設(shè)置上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。在工作期間，他們使用光學(xué)復(fù)合拋物面聚光器來(lái)提高熒光收集效率。作為概念驗(yàn)證，研究人員從直徑為 5 毫米的環(huán)形天線輻射信號(hào)和輔助微波，并施加垂直于所有 NV 中心的金剛石表面的外部磁場(chǎng)，以產(chǎn)生相同的塞曼分裂。

最佳靈敏度。(A) 響應(yīng)度對(duì)輔助微波場(chǎng)的依賴性。點(diǎn)是實(shí)驗(yàn)結(jié)果，其中誤差條表示在 δ = 480 Hz 附近的傅里葉變換光譜中基線的 RMS，跨度為 0.1 Hz。實(shí)線是根據(jù)方程式的理論計(jì)算。16 在材料和方法。(B) 靈敏度對(duì)外差頻率 δ 的依賴性。靈敏度根據(jù)檢測(cè)帶寬進(jìn)行歸一化。紅色區(qū)域表示 480 Hz 附近的最佳頻率窗口。藍(lán)色區(qū)域表示估計(jì)的散粒噪聲限制靈敏度。(C) 靈敏度基準(zhǔn)。傅里葉變換光譜對(duì)應(yīng)于 6.81 pT 的信號(hào)微波場(chǎng)�？倻y(cè)量時(shí)間為 1000 秒。測(cè)得的 24.2 SNR 對(duì)應(yīng)于 8.9 pT Hz-1/2 的靈敏度。這里，輔助微波場(chǎng)為 220 nT，δ = 480 Hz。來(lái)源：科學(xué)進(jìn)展（2022 年）。DOI: 10.1126/sciadv.abq8158

在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，團(tuán)隊(duì)首先應(yīng)用了單通道諧振微波。然后他們應(yīng)用輔助微波并提取頻率以獲得兩個(gè)微波的差異，以及外差測(cè)量的信號(hào)。研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)提高信噪比優(yōu)化了傳感器的性能。由于激光在低頻段保持強(qiáng)噪聲，團(tuán)隊(duì)增加了外差頻率以避免這種影響。然后，研究人員直觀地對(duì)傳感器的靈敏度進(jìn)行了基準(zhǔn)測(cè)試，并將頻率分辨率和檢測(cè)帶寬考慮在內(nèi)。

通過(guò)這種方式，Zeching Wang 及其同事展示了使用氮空位中心作為微波磁力測(cè)量的高靈敏度傳感器的可能性，即使在沒(méi)有自旋控制的情況下也是如此。該方法依賴于微波的共振吸收，由氮空位中心促進(jìn)。他們將該方案應(yīng)用于承載氮空位的金剛石組合，以實(shí)現(xiàn)最小可檢測(cè)微波場(chǎng)。該方案的簡(jiǎn)單性允許在更大的傳感器上直接復(fù)制測(cè)量結(jié)果，以進(jìn)一步提高靈敏度。例如，使用與光電二極管尺寸相似的鉆石，可以將靈敏度提升到飛特斯拉級(jí)別。增加氮空位密度提高了整體靈敏度，盡管必須平衡弛豫狀態(tài)的增加和激光加熱問(wèn)題。

線寬和帶寬。(A) 線寬對(duì)總測(cè)量時(shí)間的依賴性。藍(lán)色點(diǎn)是從傅里葉變換光譜的洛倫茲擬合中提取的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。紅線表示 1/t 比例。(B) 帶寬擴(kuò)展的直觀概念。金剛石“混頻器”對(duì)輸入微波具有窄帶響應(yīng)，其中頻帶以輔助微波的頻率為中心。如果我們級(jí)聯(lián)多個(gè)具有不同輔助微波的混頻器，則頻段將相應(yīng)擴(kuò)展。(C) 帶寬測(cè)量。為了更好地比較帶寬，所有測(cè)量組都進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化。擴(kuò)展帶寬由 ODMR 線寬組成。au，任意單位。來(lái)源：科學(xué)進(jìn)展（2022 年）。DOI: 10.1126/sciadv.abq8158

這項(xiàng)工作對(duì)金剛石傳感器在無(wú)線通信和射電望遠(yuǎn)鏡中作為雷達(dá)微波接收器的實(shí)際應(yīng)用產(chǎn)生了長(zhǎng)期影響。金剛石設(shè)備還可以在極高的溫度或壓力下工作，并具有額外的能力，以促進(jìn)片上金剛石磁力計(jì)的開(kāi)發(fā)。