從指南針的發(fā)明到礦物探測、磁共振技術(shù)、磁存儲技術(shù)的發(fā)展，對磁場的感知與應用一直與人類文明發(fā)展的發(fā)展緊密相關(guān)。隨著現(xiàn)代科學技術(shù)的發(fā)展，人們對磁場探測技術(shù)提出了越來越高的要求。如何探測更微小的空間磁場分布，更微弱強度的磁場信號成為很多科學家想要解決的問題。
基于金剛石NV色心缺陷的量子磁場傳感技術(shù)，為這個問題提供了一個解決的可能。這里的NV缺陷是指金剛石中的一個替位N原子與一個空位配對并捕獲一個電子形成的系統(tǒng)，其基態(tài)電子自旋不為零，自旋態(tài)可光極化、讀取，自旋態(tài)可以微波操縱。由于這種缺陷的原子級的尺寸以及其電子自旋態(tài)在常溫下具優(yōu)異的自旋相干性，在量子傳感和量子計算等領(lǐng)域引起了廣泛的關(guān)注。
基于NV色心的磁場傳感的基本原理是電子自旋塞曼效應（電子的能級隨外加磁場的變化而變化,圖1）。通過光探測磁共振技術(shù)可以對磁場信號進行探測，探測的靈敏度主要受限于光信號的強度、量子態(tài)相干性以及量子態(tài)的對比度。由于核自旋不為零的N原子與電子自旋產(chǎn)生耦合，造成電子自旋能級劈裂，這種劈裂導致量子態(tài)的對比度減小，對應磁場靈敏度減小。傳統(tǒng)的解決手段是動態(tài)核自旋解耦，但是這種方案會帶來很多問題。
圖1 （a）金剛石中晶格中的NV色心缺陷，（b）基于金剛石NV色心傳感的能級結(jié)構(gòu)表示
針對這一問題，中科院地質(zhì)與地球物理所地球與行星物理院重點實驗室的李翠紅博士及其合作導師等，通過利用多頻微波同步操縱的方法解決了這一問題，使得NV色心電子能級的對比度得到充分利用，提高了基于NV色心的磁傳感技術(shù)的測量靈敏度（圖2）。另外由于這種方案主要是針對電子自旋與核自旋耦合造成的能級劈裂的情況，可以拓展應用到其他的基于量子態(tài)計算或傳感的技術(shù)中來解決類似的自旋-自旋耦合問題。
圖2 （a）N核自旋與電子自旋耦合造成譜分裂，信號對比度減小，（d）通過多頻微波同步操作實現(xiàn)測量信號對比度增強，對應磁場信號增強
研究成果發(fā)表于Applied Physics Letters。（Li C H, Dong Y, Xu J Y, et al. Enhancing the sensitivity of a single electron spin sensor by multi-frequency control[J]. Applied Physics Letters, 2018, 113(7): 072401.）（原文鏈接）