近日，東京工業(yè)大學(xué)關(guān)口直太特任副教授、巖崎孝之副教授、波多野睦子教授等聯(lián)合研究團(tuán)隊(duì)稱，利用金剛石中的氮-空位中心開發(fā)出了金剛石量子傳感器，在低頻磁場下成功實(shí)現(xiàn)了9.4pT/√Hz的高靈敏度檢測。該團(tuán)隊(duì)表示該技術(shù)有望應(yīng)用于不需要磁屏蔽和冷卻劑等大型高成本設(shè)備的腦磁測量上。未來，這一技術(shù)有望應(yīng)用于針對腦活動(dòng)的常規(guī)檢查等腦機(jī)接口上。相關(guān)研究成果以發(fā)表于Physical Review Applied期刊。

圖1 過去的金剛石量子傳感器性能以及為了測量腦磁場所需要的性能（供圖：東京工業(yè)大學(xué)）

       金剛石在量子傳感領(lǐng)域備受青睞

       目前，金剛石量子傳感器也成了國際量子競爭前沿領(lǐng)域之一。美國、英國、歐盟等西方國家均將NV中心量子調(diào)控與量子傳感器應(yīng)用作為重點(diǎn)支持方向。

       長期以來，金剛石憑借其相干氮-空位（NV）中心、可調(diào)節(jié)自旋、磁場敏感性以及在室溫下工作的能力，一直在量子傳感領(lǐng)域備受青睞。這是由于金剛石本身具有極高的化學(xué)穩(wěn)定性和物理耐用性，是世界上硬度最高導(dǎo)熱性最好的材料，這也使得金剛石量子傳感器非常適合于惡劣環(huán)境長期應(yīng)用。

       在常溫下，金剛石量子傳感器即使在強(qiáng)磁場中也能進(jìn)行高靈敏度的測量，因此有望應(yīng)用于不需要磁屏蔽和冷卻劑等大型高成本設(shè)備的腦磁測量上。

       去年11月，日本東京工業(yè)大學(xué)團(tuán)隊(duì)研發(fā)的金剛石量子傳感器可將電動(dòng)汽車的續(xù)航里程增加約10%，該團(tuán)隊(duì)表示，該技術(shù)可精確測量儲存的電量，從而最大限度地提高車載電池的性能，他們的目標(biāo)是最早在2030年將這項(xiàng)技術(shù)投入實(shí)際應(yīng)用。

       東京工業(yè)大學(xué)教授波多野睦子曾表示，最大的成本因素是金剛石。用于制造量子傳感器的金剛石是人工合成的，這與從礦山開采、用于珠寶首飾的天然鉆石不同。使用廉價(jià)線路板，采用從沼氣中提煉金剛石的量產(chǎn)方法，可大幅降低制造成本。   

       實(shí)現(xiàn)全球最高靈敏度的低頻磁場測量

       如今，該團(tuán)隊(duì)在金剛石量子傳感器方向再次創(chuàng)新。

       此次，研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)出了一種在設(shè)計(jì)上更便于接近測量對象的金剛石量子傳感器，通過合成決定磁場靈敏度的自旋相位弛豫時(shí)間長的高品質(zhì)金剛石，并將噪聲降低到量子力學(xué)的極限而實(shí)現(xiàn)的。

       這種單體金剛石量子傳感器在無需使用磁通量集中器的情況下，能夠在低頻區(qū)域?qū)崿F(xiàn)最高的靈敏度。同時(shí)保持優(yōu)越的穩(wěn)定性，能以高靈敏度持續(xù)運(yùn)行至少200分鐘。

       關(guān)口特任副教授表示：“能夠?qū)崿F(xiàn)金剛石量子傳感器的高靈敏度化，是邁向常規(guī)腦磁測量等應(yīng)用的重要一步。在今后的研究中，我們將會進(jìn)一步探索提高靈敏度和實(shí)用化的方法。也計(jì)劃將開發(fā)的傳感器應(yīng)用于動(dòng)物研究，以驗(yàn)證金剛石量子傳感器在腦磁測量中的效果?！?/p>

       另外，東京大學(xué)、日本國立物質(zhì)材料研究所（NIMS）電子與光學(xué)功能材料研究中心、量子科學(xué)技術(shù)研究開發(fā)機(jī)構(gòu)（QST）高崎量子應(yīng)用研究所量子機(jī)能創(chuàng)制研究中心、以及文部科學(xué)省共同參與了研究。

       文章鏈接：DOI：10.1103/PhysRevApplied.21.064010