近日，我校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域連續取得突破性進展，為高精度矢量磁場探測和微米級分辨率磁成像提供了創新解決方案。相關成果以 “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月發表在國際著名學術期刊《Nano Letters》上。
1.革新微納尺度矢量磁場探測方法
傳統基于NV中心的磁場測量多依賴自旋相干操控（如Ramsey干涉），但在強噪聲環境或短相干時間下，靈敏度和穩定性顯著受限。團隊創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輻射驅動的非相干過程，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了磁場強度和方向的高精度定量估計。與依賴相干的傳統方法相比，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%，并在強退相干環境下依然保持穩定性能，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果的對比。
2.實現微米級分辨率磁成像
團隊針對高分辨率磁場掃描的技術需求，提出了一種無需微納加工的穩健磁探針構建方法。該方法通過結合納米金剛石中氮-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定固定，無需復雜的微納制造工藝。這一技術可拓展用于微小磁結構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，實現高信噪比的穩定磁傳感，為量子精密測量技術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實際應用的不同關鍵技術瓶頸：耗散動力學方法攻克了復雜環境下矢量磁場測量的穩定性難題，而光纖集成磁探針則實現了高空間分辨率與高靈敏度的兼顧。研究表明，新開發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，甚至有望應用于生物兼容的熒光蛋白自旋體系，展現出廣闊的應用前景。
“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。“Robust 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計劃、國家自然科學基金、安徽省科技攻關計劃、省重大科技攻關項目、合肥工業大學中央高校基本科研業務費等項目資助。
文章鏈接：https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.5c02307
（于志飛/文 于志飛/圖 崔健/審核）
責任編輯：程婷婷
