金剛石中的氮-空位（NV）色心在室溫下具有優(yōu)異的自旋相干性，被視為量子磁力儀的主要候選材料，在納米尺度現(xiàn)象和高靈敏磁場(chǎng)檢測(cè)方面具有巨大的潛力。然而，要想實(shí)現(xiàn)同時(shí)具有高空間分辨率和高磁場(chǎng)靈敏度的固態(tài)磁力儀仍面臨挑戰(zhàn)。

       據(jù)麥姆斯咨詢(xún)報(bào)道，近日，日本豐橋技術(shù)科學(xué)大學(xué)（Toyohashi University of Technology）、東京大學(xué)（the University of Tokyo）和美國(guó)哥倫比亞大學(xué)（Columbia University）的研究人員組成的團(tuán)隊(duì)利用片上金剛石微環(huán)諧振器展示了一種具有高磁場(chǎng)靈敏度的納米尺度量子傳感器（圖1）。微環(huán)諧振器通過(guò)將光子限制在納米尺度區(qū)域內(nèi)，提高了光子的利用效率，從而在光子芯片上達(dá)到了1.0 μT/√Hz的磁場(chǎng)靈敏度。該研究還證實(shí)，這種片上方法通過(guò)與光子波導(dǎo)耦合可實(shí)現(xiàn)高效光提取，進(jìn)一步提升了檢測(cè)靈敏度。該研究工作為用于基礎(chǔ)科學(xué)、化學(xué)和醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域中檢測(cè)各種納米尺度物理量的芯片級(jí)封裝傳感器開(kāi)發(fā)提供了一條途徑。上述研究成果以“High-sensitivity nanoscale quantum sensors based on a diamond micro-resonator”為題發(fā)表于Communications Materials期刊。

圖1 基于金剛石微環(huán)諧振器的量子傳感器

       量子傳感器制造

       圖2顯示了用于量子傳感器的金剛石微環(huán)諧振器的制造基本工藝流程。圖2a-2c顯示了制造金剛石微環(huán)結(jié)構(gòu)的工藝流程。制造完成的微環(huán)結(jié)構(gòu)的SEM圖如圖2d所示。接下來(lái)，研究人員采用“拾取-翻轉(zhuǎn)-放置轉(zhuǎn)印技術(shù)”（Pick-Flip-and-Place transfer printing）將金剛石微環(huán)結(jié)構(gòu)集成于光子芯片，如圖2e-2g所示。集成在SiO?襯底上的金剛石NV色心微環(huán)諧振器的SEM圖如圖2h所示。

圖2 基于金剛石微環(huán)諧振器的量子傳感器制造工藝流程

       量子傳感器表征

       研究人員通過(guò)進(jìn)行?μ-PL（顯微光致發(fā)光）測(cè)量對(duì)所制造的器件進(jìn)行了表征。圖3a顯示了半徑為1.3?μm、寬度為440?nm的微環(huán)諧振器的典型光致發(fā)光（PL）譜。由于該微環(huán)結(jié)構(gòu)基于三角形波導(dǎo)，圖3a中可觀察到橫向電場(chǎng)（TE）模式和橫向磁場(chǎng)（TM）模式。通過(guò)利用洛倫茲函數(shù)對(duì)光致發(fā)光數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合（圖3b），對(duì)于半徑和寬度分別為1.3（2.3）?μm和650（800）nm的微環(huán)，其TE模式和TM模式的品質(zhì)因子（Q-factor）分別確定為1000（2200）和1300（2300）。

       研究人員對(duì)所制造的器件進(jìn)行了進(jìn)一步的詳細(xì)表征。為此，他們?cè)诠庾有酒系奈h(huán)諧振器附近部署了一個(gè)120 μm的微波天線。圖3c顯示了微環(huán)諧振器的光檢測(cè)磁共振（ODMR）譜。

圖3 基于金剛石微環(huán)諧振器的量子傳感器表征

       接下來(lái)，研究人員對(duì)所制造的器件進(jìn)行了自旋相干性表征，結(jié)果如圖4所示。

圖4 量子傳感器的自旋相干性表征

       磁場(chǎng)靈敏度評(píng)估

       最后，研究人員評(píng)估了該量子傳感器對(duì)磁場(chǎng)的靈敏度。圖5a展示了用于評(píng)估靈敏度的鎖相檢測(cè)基本原理。微波頻率被固定在2.8724 MHz。隨后，他們使用位于器件下方的圓形線圈（半徑10 mm，匝數(shù)6）施加了1 kHz的磁場(chǎng)，并將其連接到玻璃樣品支架上。磁場(chǎng)的振蕩導(dǎo)致ODMR譜中的信號(hào)下降發(fā)生波動(dòng)，該波動(dòng)通過(guò)示波器連接的鎖相放大器進(jìn)行檢測(cè)。

       圖5b顯示了檢測(cè)到的鎖相電壓與外加磁場(chǎng)強(qiáng)度的函數(shù)關(guān)系。為了估算該器件的最小可檢測(cè)磁場(chǎng)，研究人員對(duì)所獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行了線性擬合，如圖5b所示。圖5c是圖5b中顯示的弱磁場(chǎng)區(qū)域的放大視圖。利用擬合結(jié)果和本底噪聲水平，研究人員估算出該器件的最小可檢測(cè)磁場(chǎng)為1.0 μT/√Hz。

圖5 量子傳感器的磁場(chǎng)靈敏度評(píng)估

       用于提高靈敏度的波導(dǎo)耦合結(jié)構(gòu)

       研究人員證實(shí)，通過(guò)引入最先進(jìn)的波導(dǎo)進(jìn)行金剛石量子傳感，可以進(jìn)一步提高所開(kāi)發(fā)系統(tǒng)的磁場(chǎng)靈敏度。圖6a顯示了所研究結(jié)構(gòu)的示意圖，其中金剛石微環(huán)諧振器被異質(zhì)集成在低損耗的SiN波導(dǎo)旁，該波導(dǎo)與CMOS兼容，因此可以構(gòu)建緊湊和功能化的量子傳感器件。不同金剛石量子傳感器的磁場(chǎng)靈敏度比較如圖6c所示。

圖6 通過(guò)波導(dǎo)耦合進(jìn)一步提高磁場(chǎng)靈敏度

       小結(jié)

       綜上所述，這項(xiàng)研究展示了一種基于金剛石微環(huán)諧振器的納米尺度高靈敏度量子傳感器。通過(guò)結(jié)合金剛石納米加工技術(shù)與“拾取-翻轉(zhuǎn)-放置轉(zhuǎn)印技術(shù)”，成功制備了含有大量NV色心的高Q值金剛石微環(huán)諧振器。這種基于芯片的方法通過(guò)利用尖端集成光子技術(shù)的優(yōu)勢(shì)有助于實(shí)現(xiàn)量子傳感器的小型化。通過(guò)對(duì)芯片上的NV色心進(jìn)行相干自旋操控，所開(kāi)發(fā)的納米尺度量子傳感器實(shí)現(xiàn)了1.0 μT/√Hz的磁場(chǎng)靈敏度，并達(dá)到了25%的電子自旋共振對(duì)比度。研究人員還通過(guò)數(shù)值模擬證明，基于微腔的平臺(tái)與SiN光子技術(shù)的結(jié)合進(jìn)一步將磁場(chǎng)靈敏度提升至1.3 nT/√Hz。磁場(chǎng)靈敏度的提高顯著減少了數(shù)據(jù)采集時(shí)間，并能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)微弱磁場(chǎng)的實(shí)時(shí)檢測(cè)和監(jiān)控。該金剛石量子傳感器具備亞nT級(jí)靈敏度，可便捷地對(duì)要求微米級(jí)精度的磁場(chǎng)信息進(jìn)行成像?？傊?，本項(xiàng)研究基于光子芯片，為納米到微米級(jí)高靈敏度量子傳感鋪平了道路，其應(yīng)用領(lǐng)域涵蓋凝聚態(tài)物理、化學(xué)、神經(jīng)科學(xué)以及生物醫(yī)學(xué)等。

       論文鏈接：https://doi.org/10.1038/s43246-025-00770-x