基于NV色心的ODMR测试系统：破解璀璨钻石背后的量子测量密码

量子测量指的是通过操控微观粒子的量子态，对温度、磁场、电流等物理量进行超高精度的测量，精密量子测量中对量子材料的要求很高，例如不仅要具有稳定的量子态、可控的电子自旋、对磁场和温度极其敏感等性质，还能利用光学、微波等手段进行操控或读写。

在量子测量领域中，NV色心（Nitrogen-Vacancy Center）是当之无愧的明星材料之一。NV色心，其实也并不神秘，它就是众所周知的钻石（金刚石）中的一种点缺陷，即一个氮原子替代了金刚石晶格中的一个碳，同时邻近位置存在一个碳原子的空位，顾名思义被称为氮(N)-空位(V)色心。钻石中除了NV色心，还有其他种类的色心，基本都由金刚石内部的微量杂质或者晶格缺陷引起的，色心是钻石绚丽的色彩之源，也会为其带来独特的光学性质。

色心—钻石绚丽的色彩之源

NV色心晶格结构

我们接下来看看NV 色心是如何成为量子测量领域的明星材料的。NV色心通常具备两种电荷状态，带一个负电荷状态和电中性状态，其中带负电荷状态的色心具备优良的光探测磁共振性质，文中的色心均指负电荷状态的NV色心。

NV色心中的电子有三种自旋状态，可以用符号表示为|0⟩、|+1⟩和|-1⟩。我们可以将其简单理解为这是电子旋转的三种“姿态”，对应三个能级，或者称为三个量子态。当用一束特定波长的绿光去照射NV色心的时候，能把色心中的电子全部初始化到|0⟩态。在|0⟩态，NV色心会以辐射发光的方式释放激发态能量，发出红色荧光，NV色心处于亮态。如果此时对NV色心施加微波场，当微波频率与 NV电子自旋跃迁能级差相等时，就会发生共振，NV色心便从|0⟩ 态跃迁到|+1⟩和|-1⟩态，这时处于激发态的电子要经过系间窜越过程，先到达暂稳态后退激返回基态，此过程不会辐射发光，因此会检测到荧光计数下降，NV色心处于暗态。由于NV色心荧光具有自旋依赖性，我们可以用激光来探测NV色心电子顺磁共振信号，该方法也被称为光探测磁共振（Optically Detected Magnetic Resonance，ODMR）
 

 NV色心的光探测磁共振过程
 

难能可贵的是，NV色心是一种常温的量子体系，在室温下就能工作，不需要极冷的外部环境，其内部的电子状态可以被激光和微波控制并读取，易于操控，对温度、磁场、电流 等变化敏感，这意味着我们只需要一套NV色心操控和读取系统，就能在同一个位置同时准确感知多个物理量，这可大大提升测试效率。因此，NV色心在精密量子测量中，发挥着非常重要的作用。

NV色心感应磁场/温度/微波功率

北京卓立汉光仪器有限公司推出的基于NV色心的Finder-NV光探测磁共振（ODMR）测试系统可在CW-ODMR和Pulsed-ODMR之间切换。在CW-ODMR模式下，可测试NV色心在磁场下的塞曼分裂，实现高空间分辨率下高灵敏度探测弱磁场信号；而纵向零场劈裂的大小受温度变化影响极大，NV色心可作为温度传感器感应温度变化。在Pulsed-ODMR模式中，通过对电子自旋施加动力学解耦脉冲序列（Dynamical Decoupling）进行量子操控，可测试NV色心中的拉比振荡（Rabi Oscillations），哈恩回波（Spin Echo），自由弛豫衰减（Free Precession）等过程。
 

Finder-NV光探测磁共振（ODMR）测试系统