基于金剛石NV色心的微弱磁場(chǎng)量子精密檢測(cè)

  原文作者：丹麥科技大學(xué)物理系Louise F. Frellsen, Sepehr Ahmadi 

  (富泰科技科研與工業(yè)部譯)

  磁場(chǎng)無處不在，它們像無線電波一樣，彌漫在我們周圍。但人類的感官無法感知到它的存在。不過，我們可以制造出一種工具來對(duì)磁場(chǎng)進(jìn)行測(cè)量。最簡(jiǎn)單的就是指南針。水平放置的指南針可以告訴我們地球磁場(chǎng)的方向。而指南針的指針偏轉(zhuǎn)角度，也可以大致告訴我們磁場(chǎng)的強(qiáng)度。

  眾所周知，導(dǎo)線中通過電流，在導(dǎo)線周圍會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)。但更為神奇的是，在我們?nèi)梭w內(nèi)，大腦與身體其他器官的聯(lián)絡(luò)，是通過微弱的電流信號(hào)經(jīng)神經(jīng)傳導(dǎo)到各處的。這個(gè)時(shí)候，生物電流也會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)（如心磁，腦磁）。借助對(duì)神經(jīng)電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)的探測(cè)，我們可以對(duì)腦部生物活動(dòng)進(jìn)行成像，這就能幫助我們對(duì)腦部病變進(jìn)行無侵入的診斷。只不過，這種心磁、腦磁的磁場(chǎng)強(qiáng)度十分微弱，大概是地球磁場(chǎng)強(qiáng)度的100億分之一。如果我們放一個(gè)指南針在腦部，那指南針完全感知不到這個(gè)磁場(chǎng)。

  怎么辦？

  采用量子技術(shù)進(jìn)行微弱磁場(chǎng)的檢測(cè)隆重登場(chǎng)了。

  鉆石是由碳原子按照晶格排列的，如圖1所示。沒有雜質(zhì)的鉆石，是無色透明的。如果鉆石里有雜質(zhì)（也就是晶格上的碳原子被雜質(zhì)占據(jù)了），那么鉆石會(huì)呈現(xiàn)出一定的顏色。我們用來做磁場(chǎng)探測(cè)的鉆石，是在晶格上，有一個(gè)碳原子被一個(gè)氮原子取代了，同時(shí)在這個(gè)氮原子緊鄰的晶格上有一個(gè)空位，我們稱這種鉆石為氮空位（Nitrogen-Vacancy，NV）色心鉆石。

  現(xiàn)在我們來解釋一下，用鉆石氮空位色心怎么進(jìn)行磁場(chǎng)測(cè)量。

  首先，大家要牢牢記住一點(diǎn)：原子系統(tǒng)從本性上，當(dāng)沒有任何外部能量輸入的時(shí)候，總是傾向于處于較低的能量態(tài)。

  上圖是NV色心的能級(jí)圖。我們也將處于綠光激光照射下的NV色心的能級(jí)圖畫上去了。

  我們先考慮最簡(jiǎn)單的情況，也就是NV色心在沒有任何外加影響下的能級(jí)圖，如下圖。

  圖中最底部的一條線代表NV原子的最低能級(jí)。這是系統(tǒng)在自然條件下，最喜歡待的一種能量態(tài)。大家看到最底部的一條線上標(biāo)了a/b/c，表示最低能級(jí)實(shí)際上有3個(gè)，表示基態(tài)有3個(gè)差別不大的能級(jí)（原子的精細(xì)能級(jí)）。為了簡(jiǎn)化，我們先不做具體區(qū)分。只在這里指出基態(tài)實(shí)際上有3個(gè)能級(jí)。

  盡管系統(tǒng)傾向于處于最低能級(jí)，但只要我們從外部給系統(tǒng)施加能量，則系統(tǒng)就會(huì)被推高到一個(gè)高能級(jí)。

  怎么實(shí)現(xiàn)呢？我們用一束綠光激光來照射鉆石。當(dāng)綠光激光器給NV提供外部能量的時(shí)候，電子躍遷發(fā)生了。這個(gè)時(shí)候電子會(huì)躍遷到一個(gè)能級(jí)更高的地方，如下圖b。

  然后電子又迅速向低能級(jí)躍遷。如下圖c。

  從A/B/C能級(jí)，電子有2個(gè)路徑躍遷到基態(tài)a/b/c。分別如下圖d和e所示：

  也就是說，處于激發(fā)態(tài)A/B/C的電子，可以直接自發(fā)輻射躍遷到基態(tài)a/b/c，這個(gè)時(shí)候，躍遷電子會(huì)發(fā)出一個(gè)光子，其波長(zhǎng)為紅光。另外一個(gè)路徑是電子首先躍遷到一個(gè)中間態(tài)（圖中所稱的shelf level），這個(gè)路徑的躍遷，不會(huì)自發(fā)輻射光子，也就是說沒有紅光的產(chǎn)生。

  上面所講的，是NV原子系統(tǒng)在沒有外加任何能量場(chǎng)（如磁場(chǎng)，電場(chǎng)）的情況下。

  為了測(cè)量微弱的磁場(chǎng)信號(hào)，我們需要對(duì)NV原子系統(tǒng)施加一個(gè)微波輻射場(chǎng)。下面介紹原理。

  和光激一樣，微波輻射也帶來能量。但微波輻射的能量比激光的能量小得多，所以，它不會(huì)引起電子在基態(tài)a/b/c與激發(fā)態(tài)A/B/C之間的躍遷。但是，微波輻射的能量還是會(huì)對(duì)NV原子系統(tǒng)的能量態(tài)造成影響，具體體現(xiàn)在基態(tài)現(xiàn)在出現(xiàn)了微小的能級(jí)劈裂。我們之前將基態(tài)混為一談，簡(jiǎn)化稱之為a/b/c?，F(xiàn)在，加入微波輻射之后，基態(tài)能級(jí)分裂為a, b, c三個(gè)精細(xì)能級(jí)。也就是說，NV的外層電子，在微波輻射之下，將會(huì)處于基態(tài)能級(jí)（a, b, c）中的某一個(gè)能級(jí)。

  為了更好理解上面的一段話，讓我們進(jìn)一步分析一下基態(tài)的能級(jí)分布與躍遷。如下圖。

  從上圖a中，我們注意到基態(tài)a比基態(tài)b或者c的能級(jí)要低。而能級(jí)a與能級(jí)b或者c之間的能量差，比從a到A的能極差要小得多。我們通過調(diào)節(jié)微波輻射的能量，能夠控制電子處于基態(tài)的a，還是b，還是c。

  我們還是可以用綠光激光照射NV原子，從而提高NV原子的能級(jí)。如果我們有一個(gè)綠光光源，加上某個(gè)“不正確”的微波能量值，就會(huì)造成電子在a與A能級(jí)之間采用直接躍遷（發(fā)出紅光光子）。如果我們選擇的綠光和一個(gè)“正確的”微波能量值”，電子就會(huì)在b/c與B/C之間躍遷，并且這次會(huì)經(jīng)過中間能級(jí)（shelf level）。這個(gè)情形下，電子躍遷不會(huì)產(chǎn)生紅光光子。反過來說，通過觀察是否有紅光射出來，以及射出量，我們可以判斷NV原子體系目前所處的能級(jí)狀態(tài)。

  我們?cè)絹碓浇咏忾_鉆石進(jìn)行磁場(chǎng)測(cè)量的奧秘了。其本質(zhì)在于一個(gè)外加的磁場(chǎng)，也會(huì)影響NV原子體系的量子態(tài)（能態(tài)）。具體什么意思呢？就是說，當(dāng)一個(gè)外加的磁鐵靠近NV原子系統(tǒng)的時(shí)候，該原子的外層電子的基態(tài)能級(jí)b/c，也會(huì)分裂（塞曼效應(yīng)）成2個(gè)能級(jí)（b和c），如上圖b。這意味著，為了讓電子出現(xiàn)在這些分裂的能級(jí)上，我們施加的微波能量也必須不同。

  當(dāng)我們用NV色心測(cè)量的時(shí)候，我們會(huì)對(duì)微波輻射的能量進(jìn)行掃描輸出，與此同時(shí)觀察紅光輸出的情況。如果微波輻射的能量值“剛剛好”，原子體系的能量態(tài)被影響的話，你就會(huì)觀察到紅光輸出的功率突然有一個(gè)下降。如下圖a所示。

  如果有一個(gè)外加磁場(chǎng)施加在NV原子體系上，我們就會(huì)觀察到紅光輸出功率出現(xiàn)2個(gè)下降，這是因?yàn)橥饧哟艌?chǎng)造成了基態(tài)b和c的能級(jí)分裂。當(dāng)外磁場(chǎng)強(qiáng)度越強(qiáng)，則b與c的能級(jí)能量差越大，表現(xiàn)在紅光下降的兩個(gè)波谷之間的距離越遠(yuǎn)。那么，我們通過測(cè)量?jī)蓚€(gè)波谷的間距，就能測(cè)量外加磁場(chǎng)強(qiáng)度的大小。

  接下來，我們看一個(gè)基于同樣的原理而實(shí)現(xiàn)的金剛石NV色心磁場(chǎng)測(cè)量的方案，也就是我們不需要通過觀察紅光大小了。我們只需要觀察綠光是否消失，來測(cè)量磁場(chǎng)。具體怎么做的呢？下面來講一下。

  我們不禁要問一個(gè)問題：綠光在什么情況下才會(huì)比吸收？很顯然，當(dāng)電子處于基態(tài)a, b, c的時(shí)候，整個(gè)原子體系才會(huì)吸收綠光。因?yàn)椋绻娮右呀?jīng)處于激發(fā)態(tài)A/B/C的情況下，原子體系就不會(huì)繼續(xù)吸收光子能量了，除非電子躍遷到基態(tài)后，才會(huì)開始再次吸收綠光。

  我們記得，當(dāng)電子從激發(fā)態(tài)躍遷到基態(tài)的時(shí)候，如果它走的是“較長(zhǎng)時(shí)間”的那一個(gè)路徑，也就是經(jīng)過shelf level的話，那么原子不吸收綠光的時(shí)間相對(duì)更長(zhǎng)一些。綠光在這個(gè)期間，將會(huì)直接穿透NV原子而過，沒有損耗。

  這個(gè)時(shí)候，我們會(huì)觀察到綠光功率的變化，會(huì)有2個(gè)尖峰，而不是紅光的兩個(gè)波谷。也就是從激發(fā)態(tài)，經(jīng)過shelf level，到b態(tài)，會(huì)有一個(gè)尖峰（因?yàn)檫@個(gè)時(shí)間內(nèi)，原子不吸收綠光），從激發(fā)態(tài)，經(jīng)過shelf level，到c態(tài)，又會(huì)有一個(gè)尖峰（同理）。通過測(cè)量?jī)蓚€(gè)尖峰的間距（這個(gè)間距是因?yàn)橥饧哟艌?chǎng)引入的基態(tài)精細(xì)能級(jí)分裂），我們間接測(cè)得外加磁場(chǎng)強(qiáng)度的大小。

  這樣設(shè)計(jì)的好處在于，如果采用紅光探測(cè)的話，因?yàn)榧t光比較微弱，獲得的信號(hào)較少。而用綠光，則綠光的功率較大。并且，綠光在鉆石里會(huì)有反射而損失一部分功率，但因?yàn)榉瓷涠鴵p失的綠光功率是一個(gè)常量，輸入輸出的綠光的差值，只隨著外加磁場(chǎng)強(qiáng)度的變化而變化。

  以前沒有采用單一綠光做測(cè)試的原因在于綠光輸入與輸出的功率對(duì)比很微弱。而隨著腔體技術(shù)的成熟，我們加入一個(gè)腔后（如下圖），綠光被鉆石吸收的更多，能夠測(cè)得的功率變化就更容易實(shí)現(xiàn)一些。

下圖是綠光測(cè)試的結(jié)果：

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  富泰科技為推動(dòng)金剛石NV色心弱磁檢測(cè)在量子信息和量子探測(cè)等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，重點(diǎn)推出以下產(chǎn)品：光源、探測(cè)器、EMCCD、微波信號(hào)發(fā)生器、頻率合成器、超穩(wěn)電流源、金剛石NV色心、鎖相放大器、數(shù)據(jù)采集與控制卡等。歡迎行業(yè)客戶垂詢和訂購(gòu)。