Rapid and highly sensitive wide-field quantum microwave imaging via pixel-wise digital lock-in detection

现代电子设备正在向着微型化和高速化发展，迫使射频和微波电路在曾经无法想象的频率和功率水平下运行。随着这些微小设备变得日益复杂，工程师们面临着一个关键挑战：如何在不接触或不损坏它们的情况下，观察其内部发生的变化。传统的工具往往难以清晰地呈现驱动这些电路的磁场，尤其是在磁场微弱或隐藏在噪声层之下时。为了解决这一问题，科学家们转向了钻石的一种独特属性。在钻石内部，被称为氮в空心（nitrogen-vacancy centers）的特定缺陷充当了极其灵敏的磁传感器。这些并不是让宝石贬值的瑕疵，而是原子尺度的缺陷，即一个氮原子位于一个缺失的碳原子旁边。当被绿色激光照射时，这些缺陷会发出红光，而这种红光的亮度会随着周围磁场强度的变化而改变。这使得研究人员能够以极高的精度绘制磁场图，但多年来，这一过程一直极其缓慢。信号通常非常微弱，容易淹没在激光和摄像机的背景静态噪声中，迫使科学家必须拍摄数千张照片并将它们进行平均处理，这一过程可能耗时数小时，导致无法实时观察快速移动的电子信号。

北京理工大学的一个研究团队现在开发出了一种打破这一速度壁垒的方法，创建了一个可以在几秒钟内对大面积微波磁场进行成像的系统。他们并没有尝试通过长时间的平均处理来消除噪声，而是引入了一种类似于高度选择性滤波器的技术，只倾听他们正在寻找的特定信号节奏。他们通过稍微改变输入到受测设备的微波信号频率来实现这一点。这种“摆动”或称之为调制，使得来自钻石传感器的红光能与微波频率保持完美同步地脉动。随后，研究人员使用一种定制的数字程序，逐像素地查看摄像机的视频馈送，专门寻找这种特定的脉动节奏。通过忽略所有与该节奏不匹配的内容——例如激光的随机波动或电子噪声——他们几乎可以瞬间从混沌中提取出真实的信号。这种被称为数字锁相检测（digital lock-in detection）的方法，使他们能够以每平方根赫兹 126 纳特斯拉的灵敏度捕捉清晰的磁场图像，而这种精度在以往的高速测量中是无法实现的。

这种新方法的成果令人瞩目。团队证明，他们的系统可以在短短几秒钟内生成完整的、高分辨率的微波场分布图像，这比以往方法所需的分钟或小时有了显著的改进。他们在微带线（用于在电路板上引导微波信号的微型铜质路径）上测试了该系统。在一次实验中，他们直接向线路中输入信号，并看着磁场图出现在屏幕上。在另一次实验中，他们使用喇叭天线将微波束射向一个无源电路，展示了该系统即使在没有直接电气连接的情况下也能工作。图像显示的磁场空间分辨率达到了 1.6 微米，足以看清比人类头发还小的细节。为了证明其测量结果的可靠性，研究人员将实验图像与相同电路的计算机模拟进行了对比。两者几乎完全吻合，证实了这项新技术不仅速度快，而且非常准确。

除了绘制磁场图之外，该团队还展示了这种速度和灵敏度如何用于发现现实世界电子设备中的故障。他们拿出一个商用射频开关，并故意通过刮擦其电路表面制造断裂，从而破坏了其部分电路。当他们对该设备进行成像时，电路的健康部分显示出清晰的磁信号，而受损区域则显得完全黑暗，表明磁路径已被切断。这种能够即时可视化信号流向以及信号在哪里停止的能力，为诊断先进电子设备中的问题提供了强大的新工具。研究人员还通过在不同频率下测试其系统的极限，探索了其应用范围，证明其可以在 2.73 GHz 和 3.0 GHz 下检测磁场，证明了其在各种运行条件下的多功能性。通过将钻石传感器的天然灵敏度与巧妙的数字滤波技术相结合，这项工作为观察现代电子设备中最快速的内部磁力实时变化打开了大门，将一个缓慢、静态的过程转变为对现代世界隐藏电路的快速、动态的观察。