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儀器網(wǎng) 行業(yè)要聞】精密的測量技術(shù)可以為發(fā)現(xiàn)新科學提供機遇，也能為其他技術(shù)發(fā)展提供強有力的支持。量子力學這一前沿科技其實早就已經(jīng)逐漸深入公眾的生活，量子精密測量是作為基于量子力學原理發(fā)展起來的精密測量技術(shù)，相關(guān)技術(shù)的研究與信息、材料、
能源和
化學學科的交叉發(fā)展孕育著重大的科學突破。
自旋磁共振技術(shù)是目前為止發(fā)展成熟、應用廣泛的傳統(tǒng)測量技術(shù)之一，同時也是當代科學中相當重要的物質(zhì)探索技術(shù)之一。自旋磁共振及數(shù)能夠用來準確、快速和無破壞性地獲取物質(zhì)的組成和結(jié)構(gòu)上的信息，再結(jié)合上新興的量子調(diào)控技術(shù)，有望成為未來走向微觀物質(zhì)探測的重要手段。
鉆石這種經(jīng)過琢磨的精鋼石，不僅能夠作為珠寶裝飾品，同時也是頗具研究價值的新型量子材料。一個氮原子替代了金剛石晶格中的一個碳，鄰近位置同時存在一個碳原子的空位，因此被稱為金剛石氮—空位(NV)色心。這種缺陷能夠發(fā)出彩色光子，并攜帶周圍磁場和電廠的量子信息，能夠用于生物傳感、目標探測和其他傳感應用。
1997年，科學家們采用共聚焦顯微成像，第一次觀測到單個NV色心的信號。并從2004年實現(xiàn)單自旋量子調(diào)控和兩比特門后，基于NV色心的量子信息處理研究的進展迅速。2013年，科學家們利用NV作為探針測量金剛石外有機
樣品中質(zhì)子信號，已經(jīng)實現(xiàn)了5nm和24nm尺度的微觀核磁共振。
NV色心是實現(xiàn)量子信息處理和量子精密測量的重要平臺，其室溫下優(yōu)良的光讀出、極化性質(zhì)以及毫秒量級的相干時間，使得它成為目前最成功的的單自旋磁共振體系之一。用NV單自旋體系實現(xiàn)高分辨率和高靈敏度的磁探測是很好的選擇，并且發(fā)展基于此體系的圍觀磁共振技術(shù)也迫在眉睫。
金剛石僅表面磁噪聲環(huán)境復雜，NV色心也容易受到此信號的干擾。為此，我國科研人員設計了一種連續(xù)動力學解耦序列，形成特定的綴飾態(tài)空間，從而有效抑制NV色心對磁場的相應，同時也保留了對電場的線性響應，從而構(gòu)建了一個更加有效地電信號量子傳感器。這一成果有望在材料的電磁性質(zhì)表征領域得到重要應用，還使之能夠用于凝聚態(tài)以及半導體等材料的電信號表征。
中國科學技術(shù)大學杜江峰院士團隊建立光學檢測磁共振寬場顯微鏡，通過檢測金剛石NV中心的連續(xù)波(CW)
光譜來實現(xiàn)腫瘤組織磁共振成像，對腫瘤生物標志物進行磁成像和量化。該項研究為人類疾病的組織學檢查提供了一種有吸引力的方法，
補充了現(xiàn)有的組織成像方法，豐富了磁共振技術(shù)。同時，這個基于NV的磁顯微鏡還能夠在組織水平上以亞微米或亞細胞分辨率
對動物磁感受中的各種MRI造影劑、磁性粒子和磁性分子進行成像、量化和分析。
就在近日，中國科學院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所傳感技術(shù)國家重點實驗室基于晶圓級微機電工藝平臺，利用標準微納加工技術(shù)，制備出鉆石量子磁傳感器的核心——鉆石芯片。鉆石芯片耦合帶有梯度變化折射率透鏡的光纖模塊，實現(xiàn)了“光進光出”工作模式，縮小了探頭尺寸，實現(xiàn)了鉆石磁強計探頭的高集成度。
他們進一步研究表明，采用雙頻共振技術(shù)可以同時進行磁場和溫度場的同步實時測量，不僅能夠通過溫漂抑制提高磁場測量的信噪比，同時確保了傳感器溫度的穩(wěn)定性，并且他們所提出的制備工藝為建立高一致性、高靈敏度的可穿戴傳感器陣列提供了可能性。該鉆石磁傳感器還可以對小于0.5毫米(甚至更小)的目標區(qū)域進行近距離測量，具有在心磁、腦磁等弱磁信號探測場景的應用潛力，為后續(xù)實用化的可穿戴生物磁傳感器奠定研究基礎。
純凈璀璨的鉆石自古以來便受到人們的喜愛，也是現(xiàn)代所公認的寶石之王。而氮—空位缺陷的研究表明，有時候完美中出現(xiàn)瑕疵，也未必是一件壞事。并且基于NV色心的量子精密測量，突破了傳統(tǒng)磁共振技術(shù)所受到的諸多限制，單分子磁共振已經(jīng)初步實現(xiàn)，磁共振成像也逐漸納入納米甚至亞納米尺度。利用現(xiàn)有NV測量技術(shù)真正解決相關(guān)領域的重大問題，既是人們對該方向的期望，也是新的探測手段能夠得到認可的必經(jīng)之路。
(資料參考來源：中國科學院、中國新聞網(wǎng)、澎湃新聞、百科、知乎、知網(wǎng)等)
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