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背景介紹

隨著量子技術(shù)的發(fā)展，越來(lái)越多的行業(yè)都開(kāi)始涉足量子領(lǐng)域。例如通信，計(jì)算機(jī)，醫(yī)療，傳感領(lǐng)域等。NV色心由于其在正常條件下的多模態(tài)傳感能力，依賴其超長(zhǎng)的退相干時(shí)間，變成量子領(lǐng)域的弄潮兒。如何提高依托NV色心為載體的傳感器的性能，于是成為熱門的研究領(lǐng)域。NV色心依據(jù)其描述自身的哈密頓量，可以作為磁場(chǎng)，應(yīng)力的傳感器。其中技術(shù)最成熟的是作為磁場(chǎng)的傳感器，有相關(guān)研究證實(shí)，依靠復(fù)雜的脈沖序列可以讓NV色心的磁場(chǎng)極限靈敏度達(dá)到fT/Hz^0.5量級(jí)。但是作為溫度，應(yīng)力的傳感器研究還較為青稚。主要原因還是在于NV色心的能級(jí)分裂變化對(duì)磁場(chǎng)更為敏感，除非是在高應(yīng)力環(huán)境下的NV色心，一般情況下應(yīng)力帶來(lái)的能級(jí)分裂變化的范圍都小于1Mhz，這在磁場(chǎng)的研究中可以忽略。那么將NV色心作為溫度和應(yīng)力的傳感器，可以想到最終還是需要借助磁場(chǎng)這個(gè)中間量。

NV色心

圖1.(a)NV色心晶體結(jié)構(gòu)示意圖，(b)能級(jí)圖

NV色心是一種優(yōu)秀的量子比特載體，金剛石內(nèi)部的其中一個(gè)碳原子被氮原子取代，附近具有一個(gè)空位。NV色心的泵浦輻射形式，可以用二能級(jí)系統(tǒng)描述。處于基態(tài)的電子在零磁場(chǎng)的情況下，±1態(tài)處于兼并狀態(tài)。0態(tài)和±1態(tài)產(chǎn)生自然的共振劈裂，劈裂的能級(jí)差正好等于微波頻率2.87Ghz。在基態(tài)和激發(fā)態(tài)之間存在兩種不同的能級(jí)躍遷模式競(jìng)爭(zhēng)，一種是輻射躍遷，一種是無(wú)輻射躍遷。其中輻射躍遷在零基態(tài)受到泵浦光激發(fā)到激發(fā)態(tài)再回到基態(tài)的過(guò)程中概率最大，而非輻射躍在±1基態(tài)被激光激發(fā)到激發(fā)態(tài)再回到基態(tài)的過(guò)程概率最大。可以想象，如果用一個(gè)不斷頻率變化的微波頻率掃描NV色心的話，那么當(dāng)微波的能量滿足0態(tài)到±1態(tài)的能級(jí)差的時(shí)候，光學(xué)讀出的光電流信號(hào)會(huì)降低，如果磁場(chǎng)方向?yàn)閇1,0,0]這種坐標(biāo)向量，那么在非零磁場(chǎng)環(huán)境下，光學(xué)讀出的測(cè)試結(jié)果譜圖中會(huì)出現(xiàn)兩個(gè)凹陷下去的峰。兩個(gè)峰的頻率差包含了磁場(chǎng)的強(qiáng)度信息。

圖2：磁場(chǎng)方向沿坐標(biāo)軸矢量的NV色心ODMR譜圖

MFC技術(shù)（磁通量聚集器）

前面提到NV色心用于溫度場(chǎng)傳感，需要借助磁場(chǎng)作為中間量。那么尋找可以聯(lián)系這兩個(gè)不同的物理場(chǎng)的材料，就是核心的技術(shù)難點(diǎn)。稀土元素釓依據(jù)其特殊的磁熱特性，在居里溫度（290K）附近，此材料的相對(duì)磁導(dǎo)率發(fā)生劇烈變化，因此可以以非常高的轉(zhuǎn)化系數(shù)，將溫度變化量變成磁場(chǎng)變化量。

除了選擇特定的材料外，另外的特殊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也能起到將磁場(chǎng)聚集在一個(gè)小的區(qū)域。實(shí)現(xiàn)磁場(chǎng)強(qiáng)度增大的目的，進(jìn)一步提高NV色心作為磁傳感的靈敏度。

圖3：將NV色心用于溫度傳感的實(shí)驗(yàn)框圖HWP：半波片 BS：分束立方 lens：聚光透鏡 VNDF：可變中性密度濾光片AWG：任意波型發(fā)生器 SG:信號(hào)發(fā)生器 AMP：放大器 CI：同軸隔離器 CPC：復(fù)合拋物面聚光器 PD：光電二極管 LPF:低通濾波器 Lock-in amplifier:鎖相放大器

該圖是華中科技大學(xué)課題組，研究如何提高NV色心作為溫度傳感器的靈敏度的實(shí)驗(yàn)框圖。該圖是較為典型的采用連續(xù)波方案的NV測(cè)試系統(tǒng)框圖。激光器發(fā)出綠色激光照射位于磁屏蔽裝置內(nèi)，被固定在MFC裝置空隙上的系綜NV色心薄片上。由亥姆霍茲線圈提供磁場(chǎng)，AWG或者信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生微波源，輻射到NV色心上。其中AWG受到1Khz的低頻調(diào)制，調(diào)制深度為1Mhz，1Khz信號(hào)同時(shí)路由到蘇黎世鎖相放大器MFLI 5M設(shè)備上，作為參考信號(hào)。由鎖相得到探測(cè)信號(hào)的噪聲譜，經(jīng)過(guò)數(shù)學(xué)關(guān)系式代換和AWG掃頻，得到該系統(tǒng)的溫度靈敏度和磁場(chǎng)靈敏度。實(shí)驗(yàn)裝置放置在恒溫箱里，用來(lái)控制溫度，觀察ODMR譜圖中的凹陷的兩個(gè)峰值的頻率差和溫度的關(guān)系得到df/dT的關(guān)系式，作為連接磁場(chǎng)靈敏度和溫度靈敏度的橋梁。進(jìn)行1Khz調(diào)制的理由在于，將信號(hào)搬離出低頻噪聲明顯的噪聲區(qū)，得到信噪比更好的信號(hào)。

經(jīng)過(guò)上述利用MFC在臨界溫度下相對(duì)磁導(dǎo)率和溫度的超靈敏度，配合MFC的增強(qiáng)磁場(chǎng)強(qiáng)度的作用。該課題組利用上述實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)得到了251.5nK/Hz^0.5的極低的NV色心靈敏度。自旋共振和溫度的比例關(guān)系達(dá)到57.3Mhz/K的量級(jí)，對(duì)比正常情況下的74Khz/K的溫度的比例關(guān)系，增強(qiáng)了774倍。利用NV色心實(shí)現(xiàn)了亞微開(kāi)爾文量級(jí)的溫度表征。

在這種測(cè)試極限噪聲的實(shí)驗(yàn)中，實(shí)驗(yàn)設(shè)備的本身的噪聲對(duì)于實(shí)驗(yàn)結(jié)果影響重大。因?yàn)樽罱K的磁場(chǎng)靈敏度和溫度靈敏度是依靠噪聲頻譜圖上的PSD為基礎(chǔ)換算出來(lái)的。蘇黎世鎖相擁有鎖相放大器設(shè)備頂尖的2.5nV/Hz^0.5@>1Khz的噪聲。可以最大程度減小探測(cè)設(shè)備帶來(lái)的噪聲干擾。還有可調(diào)的ENDB帶寬功能和高動(dòng)態(tài)輸入范圍。綜合來(lái)看，鎖相放大技術(shù)在該類 NV 傳感系統(tǒng)中的核心作用在于：將微弱的頻率/相位變化映射為高信噪比的電壓信號(hào)，并通過(guò)窄帶檢測(cè)實(shí)現(xiàn)接近噪聲極限的靈敏度表現(xiàn)。