基于金刚石NV色心的微弱磁场量子精密检测

  原文作者：丹麦科技大学物理系Louise F. Frellsen, Sepehr Ahmadi 

  (富泰科技科研与工业部译)

  磁场无处不在，它们像无线电波一样，弥漫在我们周围。但人类的感官无法感知到它的存在。不过，我们可以制造出一种工具来对磁场进行测量。最简单的就是指南针。水平放置的指南针可以告诉我们地球磁场的方向。而指南针的指针偏转角度，也可以大致告诉我们磁场的强度。

  众所周知，导线中通过电流，在导线周围会产生磁场。但更为神奇的是，在我们人体内，大脑与身体其他器官的联络，是通过微弱的电流信号经神经传导到各处的。这个时候，生物电流也会产生磁场（如心磁，脑磁）。借助对神经电流产生的磁场的探测，我们可以对脑部生物活动进行成像，这就能帮助我们对脑部病变进行无侵入的诊断。只不过，这种心磁、脑磁的磁场强度十分微弱，大概是地球磁场强度的100亿分之一。如果我们放一个指南针在脑部，那指南针完全感知不到这个磁场。

  怎么办？

  采用量子技术进行微弱磁场的检测隆重登场了。

  钻石是由碳原子按照晶格排列的，如图1所示。没有杂质的钻石，是无色透明的。如果钻石里有杂质（也就是晶格上的碳原子被杂质占据了），那么钻石会呈现出一定的颜色。我们用来做磁场探测的钻石，是在晶格上，有一个碳原子被一个氮原子取代了，同时在这个氮原子紧邻的晶格上有一个空位，我们称这种钻石为氮空位（Nitrogen-Vacancy，NV）色心钻石。

  现在我们来解释一下，用钻石氮空位色心怎么进行磁场测量。

  首先，大家要牢牢记住一点：原子系统从本性上，当没有任何外部能量输入的时候，总是倾向于处于较低的能量态。

  上图是NV色心的能级图。我们也将处于绿光激光照射下的NV色心的能级图画上去了。

  我们先考虑最简单的情况，也就是NV色心在没有任何外加影响下的能级图，如下图。

  图中最底部的一条线代表NV原子的最低能级。这是系统在自然条件下，最喜欢待的一种能量态。大家看到最底部的一条线上标了a/b/c，表示最低能级实际上有3个，表示基态有3个差别不大的能级（原子的精细能级）。为了简化，我们先不做具体区分。只在这里指出基态实际上有3个能级。

  尽管系统倾向于处于最低能级，但只要我们从外部给系统施加能量，则系统就会被推高到一个高能级。

  怎么实现呢？我们用一束绿光激光来照射钻石。当绿光激光器给NV提供外部能量的时候，电子跃迁发生了。这个时候电子会跃迁到一个能级更高的地方，如下图b。

  然后电子又迅速向低能级跃迁。如下图c。

  从A/B/C能级，电子有2个路径跃迁到基态a/b/c。分别如下图d和e所示：

  也就是说，处于激发态A/B/C的电子，可以直接自发辐射跃迁到基态a/b/c，这个时候，跃迁电子会发出一个光子，其波长为红光。另外一个路径是电子首先跃迁到一个中间态（图中所称的shelf level），这个路径的跃迁，不会自发辐射光子，也就是说没有红光的产生。

  上面所讲的，是NV原子系统在没有外加任何能量场（如磁场，电场）的情况下。

  为了测量微弱的磁场信号，我们需要对NV原子系统施加一个微波辐射场。下面介绍原理。

  和光激一样，微波辐射也带来能量。但微波辐射的能量比激光的能量小得多，所以，它不会引起电子在基态a/b/c与激发态A/B/C之间的跃迁。但是，微波辐射的能量还是会对NV原子系统的能量态造成影响，具体体现在基态现在出现了微小的能级劈裂。我们之前将基态混为一谈，简化称之为a/b/c。现在，加入微波辐射之后，基态能级分裂为a, b, c三个精细能级。也就是说，NV的外层电子，在微波辐射之下，将会处于基态能级（a, b, c）中的某一个能级。

  为了更好理解上面的一段话，让我们进一步分析一下基态的能级分布与跃迁。如下图。

  从上图a中，我们注意到基态a比基态b或者c的能级要低。而能级a与能级b或者c之间的能量差，比从a到A的能极差要小得多。我们通过调节微波辐射的能量，能够控制电子处于基态的a，还是b，还是c。

  我们还是可以用绿光激光照射NV原子，从而提高NV原子的能级。如果我们有一个绿光光源，加上某个“不正确”的微波能量值，就会造成电子在a与A能级之间采用直接跃迁（发出红光光子）。如果我们选择的绿光和一个“正确的”微波能量值”，电子就会在b/c与B/C之间跃迁，并且这次会经过中间能级（shelf level）。这个情形下，电子跃迁不会产生红光光子。反过来说，通过观察是否有红光射出来，以及射出量，我们可以判断NV原子体系目前所处的能级状态。

  我们越来越接近解开钻石进行磁场测量的奥秘了。其本质在于一个外加的磁场，也会影响NV原子体系的量子态（能态）。具体什么意思呢？就是说，当一个外加的磁铁靠近NV原子系统的时候，该原子的外层电子的基态能级b/c，也会分裂（塞曼效应）成2个能级（b和c），如上图b。这意味着，为了让电子出现在这些分裂的能级上，我们施加的微波能量也必须不同。

  当我们用NV色心测量的时候，我们会对微波辐射的能量进行扫描输出，与此同时观察红光输出的情况。如果微波辐射的能量值“刚刚好”，原子体系的能量态被影响的话，你就会观察到红光输出的功率突然有一个下降。如下图a所示。

  如果有一个外加磁场施加在NV原子体系上，我们就会观察到红光输出功率出现2个下降，这是因为外加磁场造成了基态b和c的能级分裂。当外磁场强度越强，则b与c的能级能量差越大，表现在红光下降的两个波谷之间的距离越远。那么，我们通过测量两个波谷的间距，就能测量外加磁场强度的大小。

  接下来，我们看一个基于同样的原理而实现的金刚石NV色心磁场测量的方案，也就是我们不需要通过观察红光大小了。我们只需要观察绿光是否消失，来测量磁场。具体怎么做的呢？下面来讲一下。

  我们不禁要问一个问题：绿光在什么情况下才会比吸收？很显然，当电子处于基态a, b, c的时候，整个原子体系才会吸收绿光。因为，如果电子已经处于激发态A/B/C的情况下，原子体系就不会继续吸收光子能量了，除非电子跃迁到基态后，才会开始再次吸收绿光。

  我们记得，当电子从激发态跃迁到基态的时候，如果它走的是“较长时间”的那一个路径，也就是经过shelf level的话，那么原子不吸收绿光的时间相对更长一些。绿光在这个期间，将会直接穿透NV原子而过，没有损耗。

  这个时候，我们会观察到绿光功率的变化，会有2个尖峰，而不是红光的两个波谷。也就是从激发态，经过shelf level，到b态，会有一个尖峰（因为这个时间内，原子不吸收绿光），从激发态，经过shelf level，到c态，又会有一个尖峰（同理）。通过测量两个尖峰的间距（这个间距是因为外加磁场引入的基态精细能级分裂），我们间接测得外加磁场强度的大小。

  这样设计的好处在于，如果采用红光探测的话，因为红光比较微弱，获得的信号较少。而用绿光，则绿光的功率较大。并且，绿光在钻石里会有反射而损失一部分功率，但因为反射而损失的绿光功率是一个常量，输入输出的绿光的差值，只随着外加磁场强度的变化而变化。

  以前没有采用单一绿光做测试的原因在于绿光输入与输出的功率对比很微弱。而随着腔体技术的成熟，我们加入一个腔后（如下图），绿光被钻石吸收的更多，能够测得的功率变化就更容易实现一些。

下图是绿光测试的结果：

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