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为解决传统光学检测磁共振（ODMR）无法直接检测磁场极性的问题，研究人员开展利用金刚石中带负电的氮空位（NV–）色心进行磁场极性检测的研究。结果发现 Bmod-ODMR 光谱对称性与磁场极性相关，该成果对磁学研究意义重大。
在量子传感领域，带负电的氮空位（NV
–）色心因其独特性质成为研究热点。传统的光学检测磁共振（ODMR）技术虽能高精度测量磁场强度和方向，但却无法直接检测磁场极性。这一局限性在需要实时检测样品静动态杂散场的物理现象研究和应用中尤为突出，极大地限制了相关领域的发展。
为了突破这一困境，研究人员开展了深入研究。他们利用金刚石中的 NV–色心，通过对小磁场进行解调并结合线性偏振微波记录 ODMR 光谱。研究发现，这种磁场调制的 ODMR（Bmod-ODMR）光谱中，一阶导数谱线的对称性与磁场极性直接相关，这一发现为直接检测磁场极性提供了可能。相关研究成果发表在《Applied Materials Today》上。
在研究过程中，研究人员主要运用了以下关键技术方法：一是搭建了光学和微波实验装置，利用激光激发和微波辐射来探测 NV–色心的光学和自旋特性；二是通过锁相检测技术对微弱信号进行提取和分析，提高检测灵敏度；三是利用模拟软件对实验光谱进行模拟，辅助分析实验数据。
研究结果如下：
- NV–色心结构与能级：NV–中心在金刚石晶体中有独特的结构和能级分布。氮原子可取代四面体中 4 个碳原子位点，形成 4 个不等价的 NV–中心，每个中心有自己的自旋量子化轴。在零磁场下，4 个 NV–中心磁等价，施加外磁场后，能级因塞曼相互作用分裂。
- ODMR 光谱特性：对比有无磁场调制的 ODMR 光谱，发现未调制光谱所有 NV–位点的光致发光（PL）均淬灭，呈现负 ODMR 对比度；Bmod-ODMR 光谱则显示出类似一阶导数的信号，且共振线具有相反的对称性，这与吸收和发射微波跃迁有关。
- 角度相关研究：通过旋转永磁体进行角度相关研究，发现 Bmod-ODMR 光谱中不同 NV–中心的共振频率随角度变化呈现不同规律，且在特定角度下共振线会出现对称性反转，这与磁场投影和自旋量子化轴的相对方向有关。
- 概念验证实验：进行了实时检测磁场极性的概念验证实验。对放置在金刚石微晶附近的线圈施加方波电压，产生交变磁场，监测 Bmod-ODMR 信号，结果表明该信号能随磁场方向变化而交替变化，实现了实时检测，而 MWmod-ODMR 光谱基本保持不变。
研究结论和讨论部分指出，该研究首次在低磁场下观察到 NV–中心的 Bmod-ODMR 光谱，且光谱对称性对磁场极性敏感。这使得金刚石中的 NV–中心可作为传感器直接检测磁场极性，用于纳米级磁测量中磁化分布和动力学的时空映射。与其他方法相比，Bmod-ODMR 无需特定晶体取向、对 PL 强度随机波动具有鲁棒性，也不需要外部偏置磁场或复杂的微波谐振器，具有显著优势。该研究成果为材料科学、量子技术等领域的磁学研究提供了新的方法和思路，有望推动相关领域的进一步发展。
