近日，合肥工業(yè)大學物理學院量子精密測量實驗室陳冰教授團隊在量子精密測量領(lǐng)域連續(xù)取得突破性進展，為高精度矢量磁場探測和微米級分辨率磁成像提供了創(chuàng)新解決方案。相關(guān)成果以 “Robust 1-μm-Resolution Magnetic Probe Enabled by Optical Trapping of Nanodiamonds on a Tapered Fiber”和“Off-Axis Magnetic Sensing via Dissipative Spin Dynamics Probed by Time-Resolved Fluorescence in Diamond”為題，分別于6月和9月發(fā)表在國際著名學術(shù)期刊《Nano Letters》上。

1.革新微納尺度矢量磁場探測方法

傳統(tǒng)基于NV中心的磁場測量多依賴自旋相干操控（如Ramsey干涉），但在強噪聲環(huán)境或短相干時間下，靈敏度和穩(wěn)定性顯著受限。團隊創(chuàng)新性地將耗散自旋動力學引入磁場測量，提出了一種基于耗散自旋動力學的矢量磁場檢測新方法。該方法利用光泵浦和自發(fā)輻射驅(qū)動的非相干過程，通過時間分辨熒光信號提取矢量磁場信息，從而在不依賴自旋相干性的情況下實現(xiàn)了磁場強度和方向的高精度定量估計。與依賴相干的傳統(tǒng)方法相比，該方案對自旋退相干噪聲具有天然魯棒性。實驗上成功實現(xiàn)了磁場強度約1G、方向約1°的探測精度，相對誤差僅為0.6%-1.3%，并在強退相干環(huán)境下依然保持穩(wěn)定性能，如圖1。

圖1.(a) 基于耗散動力學的時間分辨熒光測量原理示意；

(b) 通過速率方程模型重建磁場方向與強度；

(c) 、（d）實驗熒光曲線與理論擬合結(jié)果的對比。

2.實現(xiàn)微米級分辨率磁成像

團隊針對高分辨率磁場掃描的技術(shù)需求，提出了一種無需微納加工的穩(wěn)健磁探針構(gòu)建方法。該方法通過結(jié)合納米金剛石中氮-空位色心的量子磁敏感性與錐形光纖的高光子效率，實現(xiàn)了1微米空間分辨率的磁場探測。研究采用光學梯度力將納米金剛石精確捕獲并定位于光纖尖端，隨后通過范德華力將其穩(wěn)定固定，無需復雜的微納制造工藝。這一技術(shù)可拓展用于微小磁結(jié)構(gòu)或微電路的磁場測量，充分利用錐形光纖的集成光子增強效應(yīng)，實現(xiàn)高信噪比的穩(wěn)定磁傳感，為量子精密測量技術(shù)在集成電路與芯片的檢測提供了新的思路，如圖2。

圖2.實現(xiàn)了基于自旋的超高靈敏度和分辨率的量子磁場探測。

兩項研究分別解決了NV色心量子傳感從實驗室走向?qū)嶋H應(yīng)用的不同關(guān)鍵技術(shù)瓶頸：耗散動力學方法攻克了復雜環(huán)境下矢量磁場測量的穩(wěn)定性難題，而光纖集成磁探針則實現(xiàn)了高空間分辨率與高靈敏度的兼顧。研究表明，新開發(fā)的耗散動力學磁檢測方法不僅適用于金剛石NV中心，還可拓展至碳化硅、六方氮化硼等其他自旋缺陷平臺，甚至有望應(yīng)用于生物兼容的熒光蛋白自旋體系，展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。

“Off-Axis Magnetic Sensing via Dissipative Spin Dynamics Probed by Time-Resolved Fluorescence in Diamond”研究工作，合肥工業(yè)大學物理學院朱百強博士（博后，導師：陳冰教授）為論文第一作者，耿建培教授、張可燁教授（華東師范大學）和陳冰教授為論文共同通訊作者?！癛obust 1-μm-Resolution Magnetic Probe Enabled by Optical Trapping of Nanodiamonds on a Tapered Fiber” 研究工作，博士研究生方蝶為第一作者，范經(jīng)緯副研究員和陳冰教授為論文共同通訊作者。研究工作得到了國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學基金、安徽省科技攻關(guān)計劃、省重大科技攻關(guān)項目、合肥工業(yè)大學中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費等項目資助。

文章鏈接：https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.5c02307

新聞鏈接：http://news.hfut.edu.cn/info/1011/74696.htm

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