連續(xù)外差檢測的基本原理。(A) NV 中心的簡化能級。∣±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)動的 NV 中心的演化。對于強微波，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）直接和外差檢測的比較。激光誘導(dǎo)極化和微波誘導(dǎo)弛豫之間的競爭導(dǎo)致平衡自旋態(tài)。對于直接檢測 (C)，恒定的微波幅度會產(chǎn)生直流熒光信號。對于外差檢測 (D)，微波干擾會產(chǎn)生隨時間變化的幅度，從而產(chǎn)生交流熒光信號。來源：科學(xué)進展（2022 年）。DOI: 10.1126/sciadv.abq8158

微波場傳感器在實踐中對于天文學(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在微波波段的靈敏度有限。

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

微波傳感的高級應(yīng)用

通過微場檢測方法的進步，可以提高從無線通信到電子順磁共振和天文觀測的大多數(shù)現(xiàn)代應(yīng)用的靈敏度。在過去的十年中，研究人員已經(jīng)開發(fā)出各種具有增強功能的量子傳感器。其中，氮空位中心以其獨特的片上檢測特性而被識別，盡管它的靈敏度相對較低�？茖W(xué)家可以使用氮空位集合來顯著提高金剛石磁力計的靈敏度。

在這項工作中，Wang 等人提出了一種連續(xù)外差檢測方案，通過引入適度和輕微失諧的輔助微波來改善傳感器對弱微波場的響應(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，具有很大的實際效益。

進行實驗并優(yōu)化靈敏度

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

最佳靈敏度。(A) 響應(yīng)度對輔助微波場的依賴性。點是實驗結(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。實線是根據(jù)方程式的理論計算。16 在材料和方法。(B) 靈敏度對外差頻率 δ 的依賴性。靈敏度根據(jù)檢測帶寬進行歸一化。紅色區(qū)域表示 480 Hz 附近的最佳頻率窗口。藍色區(qū)域表示估計的散粒噪聲限制靈敏度。(C) 靈敏度基準。傅里葉變換光譜對應(yīng)于 6.81 pT 的信號微波場。總測量時間為 1000 秒。測得的 24.2 SNR 對應(yīng)于 8.9 pT Hz-1/2 的靈敏度。這里，輔助微波場為 220 nT，δ = 480 Hz。來源：科學(xué)進展（2022 年）。DOI: 10.1126/sciadv.abq8158

在實驗過程中，團隊首先應(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微波的差異，以及外差測量的信號。研究團隊通過提高信噪比優(yōu)化了傳感器的性能。由于激光在低頻段保持強噪聲，團隊增加了外差頻率以避免這種影響。然后，研究人員直觀地對傳感器的靈敏度進行了基準測試，并將頻率分辨率和檢測帶寬考慮在內(nèi)。

通過這種方式，Zeching Wang 及其同事展示了使用氮空位中心作為微波磁力測量的高靈敏度傳感器的可能性，即使在沒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。他們將該方案應(yīng)用于承載氮空位的金剛石組合，以實現(xiàn)最小可檢測微波場。該方案的簡單性允許在更大的傳感器上直接復(fù)制測量結(jié)果，以進一步提高靈敏度。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題。

線寬和帶寬。(A) 線寬對總測量時間的依賴性。藍色點是從傅里葉變換光譜的洛倫茲擬合中提取的實驗結(jié)果。紅線表示 1/t 比例。(B) 帶寬擴展的直觀概念。金剛石“混頻器”對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。如果我們級聯(lián)多個具有不同輔助微波的混頻器，則頻段將相應(yīng)擴展。(C) 帶寬測量。為了更好地比較帶寬，所有測量組都進行了標準化。擴展帶寬由 ODMR 線寬組成。au，任意單位。來源：科學(xué)進展（2022 年）。DOI: 10.1126/sciadv.abq8158

這項工作對金剛石傳感器在無線通信和射電望遠鏡中作為雷達微波接收器的實際應(yīng)用產(chǎn)生了長期影響。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，以促進片上金剛石磁力計的開發(fā)。