Nanophotonic quantum magnetometry in a spin-dense diamond cavity

想象一个这样的世界：我们可以看见单个细胞发出的无形磁性低语，或者绘制出流经神经元的微小电流图谱，而这一切都无需接触研究对象。这就是量子传感技术的承诺——这一领域利用量子世界奇特且脆弱的规则，来构建比我们现有的任何设备都更灵敏的探测器。这场革命的核心是钻石中微小的缺陷，被称为氮-空位中心（nitrogen-vacancy centers）。可以将它们想象成钻石原子晶格中缺失的部分，这些部分捕获了一个额外的电子，使该位置变成了一个微型磁力计，能够以惊人的精度感知磁场。这些传感器甚至可以在室温下工作，这对于量子设备来说是罕见的壮举，而且它们可以做得非常小，理论上甚至可以测量单个分子的磁场。然而，一个长期存在的问题一直制约着它们的发展：为了获得足够强的信号进行测量，科学家通常需要观察大量的这类缺陷，但观察大量缺陷会模糊图像，导致无法看到精细细节；相反，只观察一个缺陷虽然能得到清晰的图像，但信号却非常微弱。

卡尔加里大学的一支研究团队找到了一种打破这种权衡的方法。他们构建了一种新型传感器，结合了微型传感器的锐度和大规模传感器的强度。他们取了一块充满了高密度氮-空位中心的钻石芯片，并将其雕刻成一个直径不大于人类发丝宽度的微型圆盘。这个圆盘就像一个光的“回音壁”（whispering gallery），将光子捕捉在圆圈内，使其在逃逸前多次发生反射。通过将一根细长的锥形光纤靠近圆盘边缘，他们能够将光射入其中，并在不使用任何笨重透镜或反射镜的情况下收集射出的光。这种设置使他们能够同时激发数千个钻石缺陷，同时保持极小的传感区域。其结果是，该设备既具有高度的灵敏度，又能够观察微米尺度的细节，同时仅需消耗极少量的激光功率，并通过单根光纤与外界连接。

研究人员通过一种称为拉姆齐磁力测量法（Ramsey magnetometry）的技术测试了这个新平台，该技术涉及使用精确的光脉冲和微波来读取钻石中电子的状态。他们发现，该设备的磁场检测灵敏度达到了每平方根赫兹 58 纳特斯拉。这是目前为止，在芯片上利用纳米制造技术构建的磁力计中所报道的最灵敏的测量结果。为了直观理解，虽然它目前还不足以探测到单个原子最微弱的磁性低语，但对于这样一个如此微小且集成化的设备来说，这是一个巨大的飞跃。团队表明，该设备的性能仅受限于光粒子本身的根本噪声，这意味着在当前的方案设计下，它的表现已达到了物理学所允许的极限。他们还证明了微型圆盘内的钻石缺陷可以保持相当长时间的量子态，即使在经历了严苛的圆盘雕刻过程之后也是如此，这表明该设备足以应对现实世界的应用。

这项成就之所以特别显著，是因为它解决了规模化扩展的问题。以往制造此类小型传感器的尝试通常需要复杂、独立使用的光学设备，这些设备难以使用或集成到其他系统中。而这种利用光纤与传感器进行通信的新设计，为在单个芯片上创建此类设备阵列打开了大门。想象一下，未来一个覆盖着数百个此类传感器的微芯片，可以绘制流经微小通道的生物样本的磁场图，或者一个紧凑型设备可以以前所未有的细节成像计算机芯片上的磁模式。研究人员指出，该设备具有机械强度，并且可以承受液体的冲洗，这使其适用于研究活细胞或流体。虽然目前的版本在光收集效率方面仍有提升空间，但前进的方向是明确的。通过优化光耦合进钻石的方式，并使用更纯净的钻石材料，灵敏度潜力可再提高一百倍，让我们离实现对小于一滴水的样本进行核磁共振波谱分析的目标更近一步。

这项工作还揭示了制作这些微型圆盘的过程并未像担心的那样对脆弱的钻石量子特性造成破坏。通过测量量子态的持续时间，团队确认制造过程引入的应变极小。这至关重要，因为应变会破坏传感器的测量精度。他们发现，圆盘内的缺陷表现得几乎与大块未经切割的钻石完全一致，证明了纳米制造技术与高精度量子传感具有兼容性。团队使用了锁相放大技术来过滤背景噪声，从而能够在嘈杂的环境中提取出清晰的信号。这种方法结合低功率激光的使用，意味着该传感器可以在不加热或损坏其旨在研究的敏感样本的情况下运行。

展望未来，研究人员预见到这些传感器将不仅仅是实验室里的奇珍异物，而是生物学和材料科学领域的实用工具。由于传感器如此之小，且可以非常靠近样本，它将被用于测量由心脏或神经组织产生的磁场，并达到目前无法实现的解析度。将这些传感器与芯片上的其他光子组件集成的能力，意味着它们可以实现大规模生产并应用于便携式设备。论文总结道，该平台代表了迈向下一代量子传感的重要一步，它提供了一种前所未有的尺寸、灵敏度和集成潜力。通过证明光纤耦合的片上钻石腔体可以实现如此高的灵敏度，该团队为一类全新的仪器提供了蓝图，这类仪器将改变我们观察周围磁性世界的方式。