金刚石氮空位色心实现激光阈值磁测，有望监测神经退行性疾病

     近日，德国弗劳恩霍夫应用固体物理研究所（以下简称Fraunhofer IAF）和皇家墨尔本理工大学（以下简称RMIT）的金刚石传感技术团队证明，金刚石氮-空位（NV）色心的磁场依赖性能够实现高精确磁场测量，比目前最先进的技术测量结果精确10倍以上。因此，测量灵敏度的提高可以提高传统磁感应技术，并绘制脑震荡、癫痫和痴呆等疾病的大脑活动图。

       此外，在金刚石中，带有负电荷的NV色心具有作为磁场量子传感器的潜力。相关理论预测激光阈值磁强记：通过增加信号强度和磁场对比度，可以提高NV色心的高灵敏度。

       为了在实践中证明激光阈值测磁，该团队利用一个含有NV色心的低吸收金刚石增益介质的激光枪，并在532纳米处泵浦NV中心，在710纳米处放置激光腔，通过受激发射实现64%的信号功率放大。

       此外，该团队通过测试了放大器的磁场依赖性，证明NV色心的光致发光受到外磁场的调控，结果表明，由此产生的发射显示了33%的超高对比度和毫瓦特范围内的最大输出功率。

图1 该论文合作者，RMIT的ARC量子计算和通信技术卓越中心Marco Capelli。（图片来源：RMIT）

        据研究人员称，实验证明的整体对比度是一个新纪录，并高于使用自发发射色心获得的整体对比度。因此，该论文首次报道了相干腔读取传感的优势以及激光阈值磁测原理。

       目前，金刚石已经被用于检测磁场。来自金刚石中量子缺陷的光子会随着磁场强度的变化而变化，并且大部分光会消失。

       RMIT教授Andrew Greentree说：“我们的突破是利用这些缺陷制造出激光器。通过收集所有的光——而不仅仅是少量的光——我们可以用该新型传感器探测到比目前最佳数据精确10倍的磁场。”

       通过检测神经元活动（脑磁图）或心脏信号（心磁图），磁场量子传感器可以检测和诊断医疗状况。脑磁图（MEG）技术体积庞大，价格昂贵，需要使用液氦循环实现极低温。此外，病人在仪器运行时不能动。

       Greentree说：“我们真的希望仪器能够安装在病人头上，不影响他们四处走动，并且不需要昂贵的液氦操作这样的设备。”

       临床医生希望能够监测阿尔茨海默症等神经性退化症的发展和治疗效果。同样，他们希望能够测量脑震荡等损伤对大脑的具体影响。

       Greentree预想道：“通过我们计划的这种脑磁图技术，你可以针对早发性痴呆。对于癫痫，你可以找到病灶，这会帮助医生更好地实行干预措施。”

图2 在RMIT的ARC量子计算和通信技术卓越中心实验室中，激光与金刚石材料相互作用。（图片来源：RMIT）

       研究人员说，金刚石NV磁场传感器还可以改进用于磁性矿物和此行异常检测地质勘探的传感器。若应用于矿业部门，它很可能改进矿产勘探方法。

       该团队称，如果有足够的资金和与业界伙伴的合作，他们可以在五年内开发出使用新传感器的概念验证装置。

       日本量子科学技术研究开发机构和史坦顿岛纽约市立大学学院团队也对该工作做出一定贡献。

       以上工作已发表在期刊《Science Advances》上。（www.doi.org/10.1126/sciadv.abn7192）

[1] Hahl F A, Lindner L, Vidal X, et al. Magnetic-field-dependent stimulated emission from nitrogen-vacancy centers in diamond[J]. Science Advances, 2022, 8(22): eabn7192.