基于金剛石NV色心的微弱磁場(chǎng)量子精密檢測

  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(wú)處不在，它們像無(wú)線(xiàn)電波一樣，彌漫在我們周?chē)?。但人?lèi)的感官無(wú)法感知到它的存在。不過(guò)，我們可以制造出一種工具來(lái)對磁場(chǎng)進(jìn)行測量。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角度，也可以大致告訴我們磁場(chǎng)的強度。

  眾所周知，導線(xiàn)中通過(guò)電流，在導線(xiàn)周?chē)鷷?huì )產(chǎn)生磁場(chǎng)。但更為神奇的是，在我們人體內，大腦與身體其他器官的聯(lián)絡(luò )，是通過(guò)微弱的電流信號經(jīng)神經(jīng)傳導到各處的。這個(gè)時(shí)候，生物電流也會(huì )產(chǎn)生磁場(chǎng)（如心磁，腦磁）。借助對神經(jīng)電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)的探測，我們可以對腦部生物活動(dòng)進(jìn)行成像，這就能幫助我們對腦部病變進(jìn)行無(wú)侵入的診斷。只不過(guò)，這種心磁、腦磁的磁場(chǎng)強度十分微弱，大概是地球磁場(chǎng)強度的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(méi)有雜質(zhì)的鉆石，是無(wú)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)占據了），那么鉆石會(huì )呈現出一定的顏色。我們用來(lái)做磁場(chǎng)探測的鉆石，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(chēng)這種鉆石為氮空位（Nitrogen-Vacancy，NV）色心鉆石。

  現在我們來(lái)解釋一下，用鉆石氮空位色心怎么進(jìn)行磁場(chǎng)測量。

  首先，大家要牢牢記住一點(diǎn)：原子系統從本性上，當沒(méi)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色心的能級圖。我們也將處于綠光激光照射下的NV色心的能級圖畫(huà)上去了。

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

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

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

  怎么實(shí)現呢？我們用一束綠光激光來(lái)照射鉆石。當綠光激光器給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)能級更高的地方，如下圖b。

  然后電子又迅速向低能級躍遷。如下圖c。

  從A/B/C能級，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(shuō)，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(cháng)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(chēng)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(shuō)沒(méi)有紅光的產(chǎn)生。

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

  為了測量微弱的磁場(chǎng)信號，我們需要對NV原子系統施加一個(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(lái)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NV原子系統的能量態(tài)造成影響，具體體現在基態(tài)現在出現了微小的能級劈裂。我們之前將基態(tài)混為一談，簡(jiǎn)化稱(chēng)之為a/b/c?，F在，加入微波輻射之后，基態(tài)能級分裂為a, b, c三個(gè)精細能級。也就是說(shuō)，NV的外層電子，在微波輻射之下，將會(huì )處于基態(tài)能級（a, b, c）中的某一個(gè)能級。

  為了更好理解上面的一段話(huà)，讓我們進(jìn)一步分析一下基態(tài)的能級分布與躍遷。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的能級要低。而能級a與能級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(guò)調節微波輻射的能量，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N(xiāo)V原子，從而提高NV原子的能級。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(guò)中間能級（shelf level）。這個(gè)情形下，電子躍遷不會(huì )產(chǎn)生紅光光子。反過(guò)來(lái)說(shuō)，通過(guò)觀(guān)察是否有紅光射出來(lái)，以及射出量，我們可以判斷NV原子體系目前所處的能級狀態(tài)。

  我們越來(lái)越接近解開(kāi)鉆石進(jìn)行磁場(chǎng)測量的奧秘了。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(shuō)，當一個(gè)外加的磁鐵靠近NV原子系統的時(shí)候，該原子的外層電子的基態(tài)能級b/c，也會(huì )分裂（塞曼效應）成2個(gè)能級（b和c），如上圖b。這意味著(zhù)，為了讓電子出現在這些分裂的能級上，我們施加的微波能量也必須不同。

  當我們用NV色心測量的時(shí)候，我們會(huì )對微波輻射的能量進(jìn)行掃描輸出，與此同時(shí)觀(guān)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(huà)，你就會(huì )觀(guān)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(guān)察到紅光輸出功率出現2個(gè)下降，這是因為外加磁場(chǎng)造成了基態(tài)b和c的能級分裂。當外磁場(chǎng)強度越強，則b與c的能級能量差越大，表現在紅光下降的兩個(gè)波谷之間的距離越遠。那么，我們通過(guò)測量?jì)蓚€(gè)波谷的間距，就能測量外加磁場(chǎng)強度的大小。

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

  我們不禁要問(wèn)一個(gè)問(wèn)題：綠光在什么情況下才會(huì )比吸收？很顯然，當電子處于基態(tài)a, b, c的時(shí)候，整個(gè)原子體系才會(huì )吸收綠光。因為，如果電子已經(jīng)處于激發(fā)態(tài)A/B/C的情況下，原子體系就不會(huì )繼續吸收光子能量了，除非電子躍遷到基態(tài)后，才會(huì )開(kāi)始再次吸收綠光。

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

  這個(gè)時(shí)候，我們會(huì )觀(guān)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(guò)shelf level，到b態(tài)，會(huì )有一個(gè)尖峰（因為這個(gè)時(shí)間內，原子不吸收綠光），從激發(fā)態(tài)，經(jīng)過(guò)shelf level，到c態(tài)，又會(huì )有一個(gè)尖峰（同理）。通過(guò)測量?jì)蓚€(gè)尖峰的間距（這個(gè)間距是因為外加磁場(chǎng)引入的基態(tài)精細能級分裂），我們間接測得外加磁場(chǎng)強度的大小。

  這樣設計的好處在于，如果采用紅光探測的話(huà)，因為紅光比較微弱，獲得的信號較少。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，但因為反射而損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(zhù)外加磁場(chǎng)強度的變化而變化。

  以前沒(méi)有采用單一綠光做測試的原因在于綠光輸入與輸出的功率對比很微弱。而隨著(zhù)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，能夠測得的功率變化就更容易實(shí)現一些。

下圖是綠光測試的結果：

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