麻省理工：發明量子感測器可測量原子級尺度磁場！

麻省理工學院研究人員發明了一種測量原子尺度磁場的新方法，不僅可以測量上下磁場，還可以測量橫向磁場。這個新工具可以應用於各種各樣的領域，如繪製神經元內部的電脈衝圖、表徵新磁性材料以及探測奇異的量子物理現象。今天（2019年3月15日）在《物理評論快報》(Physical Review Letters)期刊上發表的一篇論文中，對這種新方法進行了描述。論文作者是研究生劉一祥、前研究生阿肖克?阿喬伊(Ashok Ajoy)和核科學與工程教授保拉?卡佩拉羅(Paola Cappellaro)。

博科園-科學科普：這項技術建立在一個已經開發出來的平台上，利用金剛石中被稱為氮空位(NV)中心的微小缺陷，以高精度探測磁場。這些缺陷包括金剛石有序的碳原子晶格中兩個相鄰碳原子缺失的位置；其中一個被一個氮原子取代，另一個則是空的。這使得結構中缺少鍵，電子對周圍環境的微小變化非常敏感，無論是電、磁還是光。以前使用單個NV中心來探測磁場是非常精確的，但只能測量沿著與感測器軸對齊的單一維度變化。但是對於某些應用，比如通過測量每個脈衝的確切方向來繪製神經元之間的連接，測量磁場橫向分量也會很有用。

圖片：CC0 Public Domain

本質上，新方法通過利用氮原子核自旋提供的二次振蕩器來解決這個問題。被測場的側向分量推動次級振蕩器方向。通過使其稍微偏離軸，側向分量會引起一種抖動，這種抖動表現為與感測器對齊的磁場的周期性波動，從而將垂直分量變成疊加在主靜態磁場測量上的波型。然後可以用數學方法將其轉換回來，以確定側向分量的大小。該方法在第二維和第一維中提供了同樣的精度，同時仍然使用單個感測器，從而保持了其納米級的空間解析度。為了讀出結果，研究人員使用了光學共焦顯微鏡，該顯微鏡利用了NV中心的一種特殊性質：

當暴露在綠光下時，它們會發出紅光或熒光，其強度取決於它們的精確自旋狀態。這些NV中心可以作為量子位發揮作用，量子位計算相當於普通計算中使用的量子位。可以從熒光中分辨出自旋態，如果它是暗的，」產生較少的熒光，「那就是『一』狀態，如果它是亮的，那就是『零』狀態。如果熒光是介於兩者之間的某個數字，那麼自旋狀態就是介於『0』和『1』之間。一個簡單磁羅盤的指針能告訴磁場方向，但不能告訴磁場的強度。一些現有測量磁場的設備可以做相反的事情，精確地沿著一個方向測量磁場的強度，但是它們不能說明磁場的總體方向。這種方向信息正是新探測器系統所能提供。

研究人員使用實驗裝置測試他們的磁感測器系統，由綠色激光照射。圖片：研究人員提供

在這種新型「指南針」中，可以從熒光的亮度和亮度變化來判斷它指向哪裡」。主磁場由整體穩定的亮度水平表示，而敲打磁場偏離軸所引起的抖動則表現為亮度的規律性波動，這種波動類似於波，可以被精確地測量出來。這項技術一個有趣的應用是將金剛石NV中心與神經元連接起來。當細胞發出觸發另一個細胞的動作電位時，系統不僅應該能夠探測到它的信號強度，還應該能夠探測到它的方向，從而幫助繪製連接圖，並查看哪些細胞觸發了哪些細胞。同樣，在測試可能適合數據存儲或其他應用的新磁性材料時，新系統應能詳細測量材料中磁場的大小和方向。

與其他一些需要極低溫度才能運行的系統不同，這種新型磁感測器系統在普通室溫下也能很好地工作，這使得在不破壞生物樣本情況下測試生物樣本是可行的。這種新方法的技術已經可用。現在就可以做到，但需要先花些時間來校準系統。目前，該系統只提供了磁場總垂直分量的測量，而沒有提供磁場的確切方向。現在只提取總橫向分量，無法確定方向，但是增加三維分量可以通過引入一個附加的靜態磁場作為參考點來實現。只要能校準那個參考場，就能獲得關於該場方向的完整三維信息，有很多方法可以做到這一點。

研究人員用於測試其感測器系統的實驗裝置。感測器位於綠色框內，右側為中心。圖片：研究人員提供

以色列魏茨曼研究所(Weizmann Institute)化學物理學高級科學家阿米特·芬克勒(Amit Finkler)說：獲得了對橫向磁場的靈敏度與對平行磁場的直流靈敏度相當，這對實際應用來說是令人印象深刻和鼓舞人心的。正如作者在手稿中謙虛地所寫，這確實是向矢量納米級磁力測量邁出的第一步。他們的技術是否真的能應用於實際樣品，如分子或凝聚態系統，還有待觀察。然而，作為這項技術的潛在用戶/實現者，我對此印象深刻，並鼓勵我們在實驗設置中採用和應用這項方案。

博科園-科學科普｜研究/來自: 麻省理工學院/David L. Chandler

參考期刊文獻:《物理評論快報》

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