脑磁图（MEG）观测到的磁场微弱至皮特斯拉量级以下，要测量这类磁场，需要开发可在室温下工作、可在生物体近旁使用的高灵敏度磁传感器。东京科学大学工学院电气电子系的荒木裕太博士生、关口武治研究员、波多野睦子特命教授、岩崎孝之教授，日本国立研究开发法人物质与材料研究机构（NIMS）电子与光功能材料研究中心半导体缺陷控制团队的寺地德之团队负责人，国立研究开发法人量子科学技术研究开发机构（QST）高崎量子技术基础研究所量子功能创制研究中心的大岛武中心主任，以及电装公司尖端技术研究所的柴田贵行主管课长等人组成的研究团队，成功开发出一款基于金刚石氮-空位中心（NV中心）的拉姆齐干涉法的高灵敏度量子磁传感器。相关研究成果已发表在期刊《Applied Physics Letters》上，并入选精选论文（Featured Article）。
图1 （a）包含磁体阵列的金刚石量子传感器整体示意图；（b）传感头的放大图。传感器与被测对象的最短距离约2.0mm，该距离由微波天线与介质镜的厚度决定。210mW、532nm的激光射入金刚石内部。插图展示了激光在金刚石内部的多重反射的情景。（供图：东京科学大学）
此前，基于NV中心的磁测量长期普遍采用连续波光探测磁共振（cw-ODMR）法，但为了获得更高的探测灵敏度，向脉冲测量方法——拉姆齐干涉法转型被认为至关重要。然而，传统的拉姆齐型金刚石磁力计存在要实现高灵敏度，需要数瓦级高功率激光激发，传感器温度会大幅升高的问题。此外，微波加载所需部件体积较大，无法充分缩短传感器与样品的距离，这在高灵敏度捕捉会随距离增加急剧衰减的生物磁场方面构成了严重制约。
此次，研究团队开发出了一款兼顾低发热与近距离测量的新型拉姆齐型金刚石量子磁传感器。
首先，为提高激发光利用效率，研究团队采用了光束缚金刚石波导技术。通过使激光在金刚石内部以全反射方式持续传播，增强了光与NV中心的相互作用，实现了低激光功率下也可获得充足荧光信号的效果。结果显示，与此前研究（～4瓦级）相比，该方案仅需210毫瓦的低激光功率便实现了较高的荧光收集（检测）效率。
此外，研究团队还开发出小型基板式微波天线，并成功将传感器与样品的最短距离缩短至2.0毫米。由此，与既有基于拉姆齐法的传感器相比，测量距离缩短了3倍以上。生物磁场这类微弱磁场会随场源距离增加急剧衰减，因此这种近距离设计对灵敏度的实际提升具有显著作用。
测量方法采用双量子4-拉姆齐序列与锁相检测相结合的方式，由此可在抑制噪声影响的同时，在100～400Hz频段内实现2.93pT/√Hz的高灵敏度。同时，传感器工作时的温升控制在约13℃，工作温度低于生物安全性指标42℃。在采用模拟脑磁场分布的干式体模开展的评估中，传感器在与样品保持约2.5毫米距离的条件下，无需信号累加平均，便以高信噪比（＞4.3）探测到了77.7pT的微弱磁场。
要检测脑磁信号这类亚皮特斯拉级的微弱磁场，还需进一步的累加处理等操作。不过，本次在面向生物测量的近距离配置条件下成功完成体模测量，已证明该技术具备实用化前景。
未来，该技术不仅有望应用于脑磁图仪（MEG）、心磁图仪（MCG）等医疗诊断设备，还可拓展至涵盖小动物神经活动、肌肉活动的无创测量等场景的基础生命科学与药物研发领域。这种可在室温下工作的小型高灵敏度量子传感器，预计将大幅改变生物磁测量此前长期依赖大型设备的状态。
研究团队表示，今后将通过进一步提升金刚石晶体质量以延长相干时间、提升NV中心的电荷态调控水平、降低参考光来源的噪声等途径，致力于灵敏度的进一步提升。同时，团队还将提升系统对温度波动引发的共振频率漂移的耐受能力，推动建立可长时间稳定工作的测量系统。
原文：《科学新闻》
翻译：JST客观日本编辑部
【论文信息】
期刊：Applied Physics Letters
论文：A Highly Sensitive Diamond NV Magnetometer Using Ramsey Interferometry with a Short Sensor-to-Sample Distance
DOI：10.1063/5.0334709
