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    高頻微波高靈敏測量實現

    2022-08-25 04:15:20 來源: 科技日報

    科技日報訊 (記者吳長鋒)實現對高頻微波的高靈敏測量,能夠為高場高頻磁共振譜學、太赫茲成像甚至天文學觀測提供基礎支撐。記者近日從中國科學技術大學了解到,該校中科院微觀磁共振重點實驗室杜江峰、石發展、孔飛等人,基于金剛石氮—空位(NV)色心量子傳感器,實現了皮特斯拉水平的高靈敏微波磁場測量。該項研究成果日前發表在《科學進展》上。

    量子傳感技術能夠大大提升微波的測量靈敏度,目前常見的量子傳感器包括里德堡原子、原子磁力計、超導量子干涉儀、金剛石NV色心等。其中NV色心體系因獨特的載體穩定性和室溫大氣環境兼容性,成為極具發展前景的固態量子傳感器,而提升其探測靈敏度是最重要的發展方向之一。

    提升靈敏度最直接的途徑是利用大量NV色心開展并行測量。由于單個NV色心的尺寸只有原子級,即使是毫米級芯片大小的金剛石中也可以集成數以億萬計的NV色心。但是隨著尺寸的增加,對所有的NV色心同步地進行量子調控變得更加困難。

    為此,研究人員提出一種無需復雜量子調控的測量方案,引入一個稍強的輔助微波與被測微波干涉,產生拍頻振蕩,相應地NV熒光也會產生頻率為拍頻的振蕩,其振幅與待測微波振幅成正比,相當于用輔助微波“放大”了待測微波。利用該方法,研究團隊在體積為0.04立方毫米、包含2.8×1013個NV色心的金剛石量子傳感器上成功實現了微波磁場測量,相比此前該體系實現的亞微特斯拉指標水平,測量靈敏度提升了近10萬倍。該方法避免了復雜的同步量子操控,可以直接推廣到包含更多NV色心的更大體積金剛石量子傳感器上,未來有望將測量靈敏度進一步提升至更高量級。

    該方案為金剛石量子傳感系統的小型化和芯片化奠定了基礎,同時也向著金剛石量子傳感器在無線通信、磁共振檢測等領域的實用化邁出了重要一步。

    作者: 編輯: 瞿凱俠

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