磁场是一个人人都熟习的观点，我们身处的地球磁场、矿藏勘探中的地质磁学，乃至是生物医学中的磁成像技能，都须要对磁场进行精密丈量。
然而，原来就很微弱的磁场信息在丈量过程中又随意马虎受到滋扰，极大地降落了磁场丈量的精度，因此要精确测定磁场干系数值极为困难。
地磁场
（图片来源：veer图库）
精密磁丈量方案——基于磁共振效应的尺子常用的精密磁丈量方案是利用 磁共振效应 来探测具有一定频率的交变磁场。详细而言，磁共振效应是指在固体材料中，当外加磁场的变革频率知足特定条件时，固定材料内部的 磁性微不雅观粒子能够与频率变革的磁场发生共振接管的征象。
为了更加形象直不雅观地理解磁共振效应，我们可以把磁共振效应想象成一种分外的“舞蹈节拍” 。 当固定材料内部的磁性微不雅观粒子被放置在一个恒定的外界磁场中时，它们就会像舞蹈一样各自随机旋转。但是如果这个外界磁场随着某个特定的频率开始变革，就好比给了它们一个舞蹈节拍，磁性微不雅观粒子就会按照这个频率更加折衷地“舞动”。
磁性微不雅观粒子与外界磁场发生磁共振的示意图
（图片来源：AI天生）
因此，科学家们就可以利用上述这种奇妙的磁共振性子，来对外界磁场的细微变革进行精密丈量，这也便是磁丈量的基本事理。基于磁共振效应发展而来的磁场精密丈量方案具有快速、准确和非毁坏性等独特上风，已广泛运用于生产和生活中。
常日而言，根据磁场丈量工具的尺度不同，磁共振丈量可以大致划分为“宏不雅观磁共振丈量”和“微不雅观磁共振丈量”这两种。个中， 宏不雅观磁共振丈量的空间分辨率常日在毫米量级 ，适用于不雅观察人体器官或较大生物样本的磁共振成像，常用于临床医学诊断和研究； 微不雅观磁共振丈量的空间分辨率可以达到微米乃至纳米量级 ，适用于细胞或生物分子水平上的磁共振成像，能够揭示细胞内部的代谢过程以及生物分子的构造和动态等。
属于传统“宏不雅观磁共振丈量”的人体核磁共振成像技能
（图片来源：veer图库）
传统的磁共振丈量仪器大多只能进行宏不雅观磁共振丈量，因而存在成像分辨率不高、丈量精度不足等问题。这意味着传统的磁共振丈量仪器无法用于探测尺度仅为纳米量级的单个微不雅观粒子的磁学状态。
为了知足对单个微不雅观粒子进行磁共振丈量的需求，科学家们再次将目光投向微不雅观的量子天下。他们希望再次利用奇妙的量子干涉效应来布局具有超高灵敏度的磁旗子暗记量子探测仪器，从而打造出一把用于微不雅观磁共振丈量的“量子之尺”。
金刚石NV色心——自带“钻石buff”的测磁体系在量子精密丈量的浩瀚技能路径中，有一种自带“钻石buff”的测磁体系能同时知足上述的性能指标，那便是金刚石NV色心方案。科学家们已经利用这一方案布局出了可用于微不雅观磁共振研究的磁旗子暗记量子探测仪器，且实现了高灵敏度以及高分辨率的磁丈量。
为什么说它自带“钻石buff”呢？这是由于字母N代表英文单词Nitrogen（氮），而字母V则代表英文单词Vacancy（空位）。如下图所示，金刚石NV色心的物理构造实在便是，金刚石中一个碳原子被一个氮原子取代，相邻位置上的碳原子又涌现缺失落而留下空位。常日情形下，NV色心会再捕获一个额外的电子，从而形成了NV色心构造。
金刚石氮-空位（NV）色心的构造图
（图片来源：Wikipedia）
这里的“色心”则是一种晶体构造的专有名词，它是指晶体材料中能够对可见光产生选择性接管的毛病构造。
早在1997年，科学家们就利用532nm波段的激光对金刚石内的单个NV色心构造，成功实现了光探测磁共振。经由近三十年的发展，科学家已经能够通过光探测磁共振技能，以超高的保真度对金刚石NV色心的量子态进行了高效读取。除此之外，科学家们还可以利用微波或者交变磁场，实现对金刚石NV色心电子自旋状态的精确量子调控。
那如何用金刚石NV色心来实现精密的磁丈量的呢？
金刚石氮-空位（NV）色心的光探测磁共振过程
（图片来源：参考文献[1]）
测磁的窍门——量子天下的干涉效应实在，金刚石NV色心的测磁事理并没有那么神秘，它和上一篇文章中先容的原子团在重力场浸染下发生的量子干涉过程十分类似，仍旧利用了我们所熟知的量子干涉效应。
大略而言，量子干涉效应是指一组处于量子叠加状态的量子态，在完成“分束操作”后会各自独立地进行蜕变。在各自独立的蜕变过程中，每个路径中的量子态就像一个个“小探针”，会在外界环境的浸染下发生眇小改变。这样一来，当这些蜕变后的量子态在完成“合束操作”后，每个“小探针”所感想熏染到的相对蜕变信息就能被提取出来，从而准确地反响出外界环境的物理信息。
如下图所示，科学家们将金刚石NV色心的测磁过程分解为 “初始态的分束”“独立的相位路径蜕变”,以及“相对相位丈量”三个阶段 ，从而利用量子干涉效应来提取待测物体的磁旗子暗记，并且完成精密磁丈量的过程：
（1）初始态的分束： 将金刚石NV色心初始的自旋量子态，通过第一步的“分束”操作来制备到两种不同的自旋量子态|↑>和|↓>的叠加态上，也便是形成两个具有量子关联性的“小探针”；
（2）独立的相位路径蜕变： 在待测物体的磁旗子暗记的浸染下，金刚石NV色心的两种不同的自旋量子态|↑>和|↓>就等价为两个“小探针”，并且会在外界环境的浸染下发生眇小改变。也便是说，这两个“小探针”会在各自独立的路径中发生不同的相位蜕变，从而在两种不同的蜕变路径中积累特定的相位差；
（3） 相对相位丈量 ：在两个“小探针”完成各自独立的相位路径蜕变后，我们就可以通过“合束操作”来提取每个“小探针”所感想熏染到的相对蜕变信息，从而准确地获取两种蜕变路径发生的量子干涉旗子暗记，也便是得到待测磁旗子暗记的变革关系。
NV色心与待测磁旗子暗记的干涉丈量过程
（图片来源：参考文献[2]）
一样平常而言，金刚石NV色心测磁体系的灵敏度常日可以达到~10^-5Gauss（高斯，磁场的强度单位）以上，其空间分辨率可以达到~0.1纳米（亚纳米的量级），从而具有传统测磁体系难以企及的丈量精度。
除此之外，对付某些传统的高精度测磁体系，例如超导量子干涉装置（SQUID）或原子磁力计，它们须要额外的低温制冷装置来提高丈量的灵敏度，并且抑制环境的热噪声。
比较而言，金刚石NV色心测磁体系在室温大气环境下就可以正常事情，并且无需低温制冷装置。值得一提的是，单个金刚石NV色心的空间尺寸只有原子级，这就意味着金刚石NV色心测磁体系可以进一步完成芯片化和微型化。
各种测磁体系的指标比拟
（图片来源：参考文献[3]）
未来已来，“量子之尺”开始展露锋芒金刚石NV色心测磁体系的独占上风已经在地质磁学、生物医药以及工程测磁等领域展现出广阔的运用前景。
2022年，来自中国科学技能大学中国科学院微不雅观磁共振重点实验室杜江峰、石发展、孔飞等人组成的研究团队，利用金刚石NV色心量子传感器，实现^-12T~10……（皮特斯拉量级）超高灵敏度的测磁精度。比较于之前最优的测磁精度记录，该研究结果的丈量灵敏度提升了近十万倍。
基于金刚石NV色心体系，实现皮特斯拉量级超高灵敏度的磁丈量
（图片来源：参考文献[4]）
在地质磁学的研究方面，由于地质岩石在形成之初就受到地磁场的磁化浸染，因此，科学家们通过研究地质岩石样品的磁性，就可以剖析并理解地球磁场强度和方向的蜕变规律。
而早在2017年，来自美国哈佛大学和麻省理工学院的联合研究团队，就利用金刚石NV色心体系对地质岩石样品表面的磁场分布进行精确丈量，从而成功获取了岩石样品丰富的磁学信息。
利用金刚石NV色心测磁体系对地质岩石样品进行微米级磁成像
（图片来源：参考文献[5]）
在生物医药的研究领域，细胞磁成像是精确探测和剖析生物组织的有效表征手段。传统的磁成像手段存在空间分辨率不足高，以及无法直接用于活体细胞样品的利用限定，而金刚石NV色心测磁仪器差异于传统的手段，可以直接用于活细胞的磁成像，对生物医药的研究具有主要的科研代价。
金刚石NV色心测磁仪器可以直接用于活细胞的磁成像
（图片来源：参考文献6）
在工程测磁等工业生产领域，金刚石NV色心测磁仪器可以紧贴在待测芯片的表面，实时监测待测芯片周边的磁场分布情形。
由于芯片中的电流密度分布会导致周边磁场分布情形的改变，我们就可以利用金刚石NV色心测磁体系来获取待测芯片的电流密度分布信息，从而实现工业生产中的全过程质量监测。
利用金刚石NV色心测磁仪器对芯片周围的磁场分布进行实时监测
（图片来源：参考文献[7]）
结语金刚石NV色心测磁体系在地质磁学、生物医药，以及工程测磁等领域展现出独特的运用代价。随着量子精密丈量技能的发达发展，一大批精密丈量仪器正在朝着商业化发展之路迈进，我们可以预见，在不久的将来，越来越多的量子精密丈量仪器将走出实验室，走进人们的日常生活，“量子之尺”必将为我们揭示更广阔的天下。
参考文献
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[2] 彭世杰, 刘颖, 马文超, 等. 基于金刚石氮-空位色心的精密磁丈量[J]. 物理学报, 2018, 67(16): 163200.
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[7] Turner M J, Langellier N, Bainbridge R, et al. Magnetic field fingerprinting of integrated-circuit activity with a quantum diamond microscope[J]. Physical Review Applied, 2020, 14(1): 014097.
出品：科普中国
作者：栾春阳（清华大学物理系博士）
监制：中国科普博览
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