基于连续级联动力学解耦协议的微波量子外差传感技术实现GHz磁场高精度探测

针对自旋体系在强非均匀展宽环境中相干性保护不足导致灵敏度下降的问题，英国埃克塞特大学团队开发了连续相位调制CCDD（连续级联动力学解耦）协议。该技术将VB-（硼空位）自旋相干时间延长至T2≈1/2T1极限，实现了MHz-GHz磁场的频率/振幅/相位全参数检测，在六方氮化硼（hBN）体系中获得3-5μT/√Hz的振幅灵敏度和0.076 rad/√Hz的相位灵敏度，并完成GHz信号235信噪比的量子外差测量。这项二维材料平台的突破为纳米尺度凝聚态系统探测提供了新范式。

　　

在量子传感领域，固态自旋缺陷因其卓越的磁探测能力被誉为"纳米尺度的MRI扫描仪"。然而当这些量子传感器遭遇强非均匀展宽环境时，犹如精密的钟表被置于狂风之中——自旋相干时间T₂急剧缩短，导致传统外差测量方案难以兼顾频率分辨率与振幅灵敏度。特别是在六方氮化硼（hBN）这类二维材料中，硼空位（VB^-）自旋与邻近氮核（¹⁴N）产生的47 MHz超精细相互作用，使得室温下相干时间被限制在100 ns以内，严重制约了其在GHz频段的应用潜力。

英国埃克塞特大学的研究团队在《Nature Communications》发表的研究中，创新性地将连续级联动力学解耦（CCDD）与量子外差技术相结合，开发出能同时解析频率、振幅和相位信息的全参数传感方案。通过双微波驱动场的相位调制设计，研究人员不仅将VB^-自旋相干时间从36 ns提升至4 μs（接近T₁/2的理论极限），更首次在连续动力学解耦框架下实现了相位敏感检测，解决了传统CCDD方案仅能响应信号幅度的技术瓶颈。

研究团队采用三项关键技术：1）相位可编程的CCDD微波驱动系统，通过Keysight M8195A任意波形发生器实现Ω=100 MHz主驱动与ε_m=10 MHz次级驱动的精确相位耦合；2）基于488 nm激光脉冲的光学检测磁共振（ODMR）系统，利用单光子雪崩二极管（SPAD）捕获自旋态投影；3）自相关-傅里叶变换信号处理算法，将10秒测量数据的频率分辨率提升至0.118 Hz。实验采用离子辐照处理的天然同位素hBN样品（含99.6% ¹⁴N），在207 mT直流磁场下锁定2.32 GHz的m_s=0?-1跃迁作为传感通道。

相位敏感微波检测
通过设计θ_m=π/2的驱动相位，研究团队在双旋转坐标系中构建了Y''Z''平面的等效静磁场。当2.31 GHz信号场与ε_m共振时，自旋轨迹的z分量投影展现出对信号相位?_s的周期性响应（图1f）。傅里叶分析揭示了嵌套的Mollow三重态结构：主峰100 MHz（Ω驱动）两侧出现90/110 MHz边带（Ω±ε_m），而信号耦合（g_x/2=1 MHz）导致?_s=π/2时中心峰分裂（图2c），这种特征为相位解码提供了物理基础。

CCDD外差传感
将CCDD驱动作为本振时钟，研究人员实现了对2.310008 GHz信号的实时相位追踪。通过1.8光子/脉冲的微弱荧光采集（图4b），经自相关处理后获得信噪比235的16 kHz差频信号（对应实际8 kHz失谐），其0.118 Hz的线宽创造了hBN平台GHz探测的新纪录。该方案支持±100 kHz的瞬时带宽，通过调节ε_m可进一步扩展至整个电子自旋共振频段（室温下数十GHz）。

这项研究的意义在于三方面突破：首先，相位敏感CCDD协议首次实现了连续动力学解耦与量子外差的兼容，将VB_B^-的相干时间提升至μs量级；其次，在天然同位素hBN中达成5.1 μT/√Hz的振幅灵敏度（?_s=0时）和0.076 rad/√Hz的相位灵敏度，性能媲美金刚石NV色心体系；最重要的是，该技术为二维材料平台赋予了GHz频段纳米磁探测能力，未来可应用于自旋波成像、微波电路诊断等前沿领域。正如作者指出，通过优化ε_m参数，该方案还能拓展至10-100 MHz的核磁共振检测频段，为高场纳米尺度NMR提供新可能。