利用金刚石中的NV中心实现的光学和微波辅助磁场数字检测

《Optical Materials》：Optical and Microwave-Assisted Digital Detection of Magnetic Field with NV– Centers in Diamond

NV色心光致磁共振技术通过检测偏置磁场下荧光信号相位变化实现磁场极性直接数字化检测，无需传统微波辅助共振条件。实验对比表明，光学方法灵敏度较微波辅助法下降36%但设备更简单，且避免微波加热干扰，适用于生物样品和高温超导体等敏感体系。

　　在现代科学与技术的发展中，磁测量技术扮演着至关重要的角色。它不仅用于基础科学研究，还在诸多实际应用中发挥着关键作用，如地质探测、医学成像、空间科学以及纳米磁学等领域。其中，基于氮空位（NV?）色心的光探测磁共振（ODMR）技术因其高灵敏度和非侵入性，成为当前研究的热点之一。NV?色心是一种在金刚石晶体中自然存在的缺陷结构，其独特的光学与磁学特性使其在量子传感、生物成像和纳米磁学研究中展现出巨大潜力。然而，传统ODMR技术在检测磁场极性方面存在一定的局限性，这在某些应用场景中显得尤为关键。例如，在硬盘驱动器（HDD）中读取磁性比特信息时，磁场的极性变化直接反映了数据的存储状态，而在研究纳米磁学现象时，如磁涡旋的动态行为，磁场极性的准确识别对于理解材料的磁性响应至关重要。因此，如何在不依赖额外复杂设备的前提下实现对磁场极性的直接、无歧义检测，成为该领域亟待解决的问题。

近年来，研究者们提出了一种新的方法，利用NV?色心在磁共振条件下的光致发光（PL）信号进行磁场极性的数字检测。这种方法通过监测在磁共振状态下，由振荡磁场调制的PL信号的变化，实现了对磁场极性的直接判断。与传统方法不同，这种调制后的PL信号在磁场极性变化时会表现出显著的符号反转，而不是仅仅强度的变化。这种特性使得磁场极性的检测更加直观和准确。然而，尽管这种方法在磁共振条件下表现出色，但其应用范围仍受到一定限制。因此，探索是否可以在非共振条件下，即仅依靠光学信号实现磁场极性的检测，成为一个重要的研究方向。

在非共振条件下，研究者们尝试通过检测与调制磁场锁定的PL信号来实现磁场极性的识别。这种方法不需要使用微波源，从而简化了实验装置，降低了设备成本。同时，它避免了高功率微波可能带来的热效应和干扰，使得该方法在处理对热敏感的样品时更具优势。例如，在研究高临界温度（Tc）超导体、二维磁性材料以及生物样本等复杂系统时，光学方法能够提供更加稳定和可控的检测环境。这一突破不仅拓宽了ODMR技术的应用范围，还为未来的实时磁检测提供了新的可能性。

为了评估光学方法与传统微波辅助方法在磁场极性检测中的性能差异，研究者们对两种方法进行了系统的比较分析。通过实验，他们发现，在相同的实验条件下，微波辅助方法的灵敏度比光学方法高出约36%。这表明，虽然光学方法在简化设备和避免干扰方面具有明显优势，但在检测灵敏度上仍存在一定差距。因此，如何在不牺牲灵敏度的前提下进一步优化光学方法，成为后续研究的一个重要课题。

在实验设计方面，研究团队采用了一种基于锁相放大器的检测策略，通过调制磁场的频率和幅度，提取出PL信号的变化趋势。他们首先通过调整磁场的调制频率，确定了在不同频率下PL信号的响应特性。结果显示，当磁场调制频率设置为1.6 kHz时，能够获得最佳的信号与噪声比（S/N），从而提高检测的准确性。接着，他们对磁场调制幅度进行了优化，发现当调制幅度小于150 μT时，PL信号随磁场幅度的增加而线性增强，而在更高的调制幅度下，信号增强的趋势变得非线性，甚至可能导致信号失真。因此，选择合适的调制参数对于实现高灵敏度的磁检测至关重要。

在实验过程中，研究者们利用两个线圈分别产生快速振荡的磁场（约kHz量级）和低频方波磁场（约Hz量级）。其中，低频方波磁场用于模拟样品的磁滞效应，而快速振荡磁场则用于调制PL信号。通过这种方式，他们能够实时监测PL信号的变化，并据此判断磁场的极性。实验结果表明，无论是微波辅助方法还是光学方法，PL信号都会随着磁场极性的变化而呈现出对称的正负交替特征。这一特性使得两种方法都能够用于数字磁信号的检测，但在实际应用中，微波辅助方法因其更高的灵敏度，更适用于对磁场变化要求较高的场景。

此外，研究团队还对两种方法的最低可检测磁场进行了评估。通过计算噪声水平的标准差，并将其与灵敏度进行比较，他们得出在微波辅助方法下，最低可检测磁场约为0.8 ± 0.1 μT，而在光学方法下则约为2.9 ± 0.5 μT。这一结果进一步说明了光学方法在灵敏度上的不足，同时也为后续优化提供了方向。例如，可以通过改进检测装置、增强信号处理算法或结合其他技术手段来提升光学方法的灵敏度。

在实际应用中，这种基于NV?色心的磁检测方法展现出广泛的应用前景。尤其是在硬盘驱动器（HDD）的磁性比特读取方面，传统的磁检测方法往往需要复杂的设备和较高的功率输入，而基于ODMR的光学方法则能够提供一种更加简洁、高效且无干扰的解决方案。此外，在研究纳米磁学现象时，如磁涡旋的动态行为、磁性纳米颗粒的排列以及二维磁性材料的磁序演化，该方法能够提供高分辨率的实时磁场信息，有助于更深入地理解这些材料的磁学特性。

从技术实现的角度来看，光学方法的简化不仅体现在设备的结构上，还体现在其操作流程的便捷性上。传统微波辅助ODMR需要精确的频率匹配和复杂的信号处理，而光学方法则可以通过简单的锁相放大器实现对PL信号的调制和检测。这使得该方法在实验室环境和实际应用中都具备较高的可行性。特别是在需要长时间运行或对热稳定性要求较高的实验中，光学方法的优势更加明显。

然而，尽管光学方法在简化和稳定性方面表现出色，其灵敏度的下降仍然是一个需要关注的问题。研究团队指出，这种灵敏度的降低主要是由于在非共振条件下，PL信号的调制幅度较小，从而限制了其对磁场变化的响应能力。为了弥补这一不足，他们提出了一种结合光学与微波信号的混合检测策略，以期在不牺牲设备简化优势的前提下，进一步提高检测的灵敏度。

总体而言，基于NV?色心的磁检测方法在实现磁场极性识别方面取得了重要进展。无论是磁共振条件下的微波辅助方法，还是非共振条件下的光学方法，都为未来的磁测量技术提供了新的思路和工具。通过优化实验参数和改进检测策略，研究者们有望在保持设备简单性的同时，进一步提升该方法的灵敏度和适用范围。这不仅有助于推动磁测量技术的发展，也为相关领域的科学研究和工程应用带来了新的可能性。