【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】高靈敏度磁傳感技術(shù)在基礎(chǔ)物理、生物醫(yī)學(xué)、地球科學(xué)及工業(yè)檢測(cè)等領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用。在探測(cè)微弱的靜態(tài)或準(zhǔn)靜態(tài)磁場(chǎng)信號(hào)(如集成電路中的微安級(jí)漏電流檢測(cè)、心磁圖探測(cè)等)時(shí)，傳感器不僅需要極高的靈敏度，還必須具備優(yōu)異的1/f噪聲性能。雖然近年來金剛石磁強(qiáng)計(jì)的靈敏度不斷提升，但在不依賴磁通集中器(MFC)的情況下，實(shí)現(xiàn)在低頻段(1-100 Hz)同時(shí)兼顧高靈敏度與低噪聲抑制仍然存在具有較大困難。
 

　　最新研究成果
 

　　近日，上海微系統(tǒng)所傳感器技術(shù)全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室在金剛石量子傳感領(lǐng)域取得重要進(jìn)展。具有氮空位(NV)色心的金剛石作為一種高性能量子傳感材料，在極弱磁場(chǎng)探測(cè)領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大潛力。然而，如何進(jìn)一步提升其在低頻段的磁靈敏度并抑制1/f噪聲，仍是制約其走向?qū)嶋H應(yīng)用的關(guān)鍵挑戰(zhàn)。研究團(tuán)隊(duì)通過激光波長(zhǎng)優(yōu)化的高效激發(fā)方案，結(jié)合諧振天線設(shè)計(jì)與π相位雙共振抑制技術(shù)，在35 mW激光功率與1 mW微波功率的低功耗條件下成功實(shí)現(xiàn)了亞10 pT級(jí)的高靈敏度金剛石量子磁強(qiáng)計(jì)。
 

　　相關(guān)研究成果以“A Sub-10 pT·Hz-1/2 Diamond Quantum Sensor with 1/f Noise Suppression Using 561 nm Laser Excitation”為題發(fā)表于國(guó)際光學(xué)領(lǐng)域知名期刊ACS Photonics 。論文第一作者為博士研究生彭霄，通訊作者為武震宇研究員和陳浩研究員。該研究工作得到了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、上海市戰(zhàn)略前沿專項(xiàng)等支持。
 

　　研究亮點(diǎn)
 

　　在這項(xiàng)工作中，課題組針對(duì)上述瓶頸，從激發(fā)光優(yōu)化與系統(tǒng)噪聲抑制兩個(gè)維度出發(fā)，采用了創(chuàng)新的技術(shù)方案：
 

　　激光波長(zhǎng)優(yōu)化的高效激發(fā)：由于NV0與NV-在不同激發(fā)波長(zhǎng)下存在不同的吸收效率，實(shí)驗(yàn)搭建了基于561 nm激光激發(fā)的量子傳感系統(tǒng)。研究發(fā)現(xiàn)，相比于傳統(tǒng)的532 nm激光，采用561 nm激光(黃綠光)激發(fā)能夠顯著提高NV-/NV0的激發(fā)比例(1.4倍提升)。通過降低NV-的光電離效應(yīng)，有效提升了光探測(cè)磁共振(ODMR)的熒光對(duì)比度，從而在低激光功率(35 mW)下實(shí)現(xiàn)了更高的探測(cè)效率。
 

　　π相位雙共振驅(qū)動(dòng)技術(shù)： 針對(duì)低頻段常見的1/f噪聲干擾，利用具備π相位的雙共振技術(shù)實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)共模抑制。該技術(shù)有效抵消了溫度變化帶來的共振點(diǎn)漂移。相比于傳統(tǒng)單點(diǎn)頻率鎖定方案，該技術(shù)將1/f轉(zhuǎn)折頻率成功推低至1 Hz，對(duì)應(yīng)靈敏度為10.6 pT·Hz-1/2，長(zhǎng)時(shí)間測(cè)量中磁場(chǎng)漂移僅為3 nT，極大提升了近直流頻段的測(cè)量穩(wěn)定性。
 

　　同時(shí)在1至1000 Hz范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)了7.9 pT·Hz-1/2的優(yōu)異靈敏度，為連續(xù)波光探測(cè)磁共振模式下的最優(yōu)靈敏度之一，盡管一些先進(jìn)的脈沖式或微波讀出方案在較高頻率下可實(shí)現(xiàn)更優(yōu)的靈敏度指標(biāo)，但本工作在抑制1/f噪聲與近直流靈敏度方面具備顯著優(yōu)勢(shì)，有利于低頻/靜磁場(chǎng)的高靈敏探測(cè)應(yīng)用。
 

　　總結(jié)與展望
 

　　本研究通過協(xié)同優(yōu)化光學(xué)激發(fā)路徑與系統(tǒng)噪聲抑制等手段，大幅提升了金剛石量子傳感器在低頻環(huán)境中的測(cè)試能力，實(shí)現(xiàn)了亞10 pT級(jí)的靈敏度突破。該技術(shù)方案在生物醫(yī)療成像、地球物理勘探以及精密工業(yè)監(jiān)測(cè)等實(shí)際場(chǎng)景中展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用前景。未來將繼續(xù)致力于傳感系統(tǒng)的進(jìn)一步微型化與集成化，推動(dòng)量子精密測(cè)量技術(shù)由實(shí)驗(yàn)室走向復(fù)雜工業(yè)場(chǎng)景的實(shí)用化。
 

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