2025年10月20日
星期一
近日，合肥工业大学物理学院量子精密测量实验室陈冰教授团队在量子精密测量领域连续取得突破性进展，为高精度矢量磁场探测和微米级分辨率磁成像提供了创新解决方案。相关成果以 “Robust 1-μm-Resolution Magnetic Probe Enabled by Optical Trapping of Nanodiamonds on a Tapered Fiber”和“Off-Axis Magnetic Sensing via Dissipative Spin Dynamics Probed by Time-Resolved Fluorescence in Diamond”为题，分别于6月和9月发表在国际著名学术期刊《Nano Letters》上。
1.革新微纳尺度矢量磁场探测方法
传统基于NV中心的磁场测量多依赖自旋相干操控（如Ramsey干涉），但在强噪声环境或短相干时间下，灵敏度和稳定性显著受限。团队创新性地将耗散自旋动力学引入磁场测量，提出了一种基于耗散自旋动力学的矢量磁场检测新方法。该方法利用光泵浦和自发辐射驱动的非相干过程，通过时间分辨荧光信号提取矢量磁场信息，从而在不依赖自旋相干性的情况下实现了磁场强度和方向的高精度定量估计。与依赖相干的传统方法相比，该方案对自旋退相干噪声具有天然鲁棒性。实验上成功实现了磁场强度约1G、方向约1°的探测精度，相对误差仅为0.6%-1.3%，并在强退相干环境下依然保持稳定性能，如图1。
图1.(a) 基于耗散动力学的时间分辨荧光测量原理示意；
(b) 通过速率方程模型重建磁场方向与强度；
(c) 、（d）实验荧光曲线与理论拟合结果的对比。
2.实现微米级分辨率磁成像
团队针对高分辨率磁场扫描的技术需求，提出了一种无需微纳加工的稳健磁探针构建方法。该方法通过结合纳米金刚石中氮-空位色心的量子磁敏感性与锥形光纤的高光子效率，实现了1微米空间分辨率的磁场探测。研究采用光学梯度力将纳米金刚石精确捕获并定位于光纤尖端，随后通过范德华力将其稳定固定，无需复杂的微纳制造工艺。这一技术可拓展用于微小磁结构或微电路的磁场测量，充分利用锥形光纤的集成光子增强效应，实现高信噪比的稳定磁传感，为量子精密测量技术在集成电路与芯片的检测提供了新的思路，如图2。
图2.实现了基于自旋的超高灵敏度和分辨率的量子磁场探测。
两项研究分别解决了NV色心量子传感从实验室走向实际应用的不同关键技术瓶颈：耗散动力学方法攻克了复杂环境下矢量磁场测量的稳定性难题，而光纤集成磁探针则实现了高空间分辨率与高灵敏度的兼顾。研究表明，新开发的耗散动力学磁检测方法不仅适用于金刚石NV中心，还可拓展至碳化硅、六方氮化硼等其他自旋缺陷平台，甚至有望应用于生物兼容的荧光蛋白自旋体系，展现出广阔的应用前景。
“Off-Axis Magnetic Sensing via Dissipative Spin Dynamics Probed by Time-Resolved Fluorescence in Diamond”研究工作，合肥工业大学物理学院朱百强博士（博后，导师：陈冰教授）为论文第一作者，耿建培教授、张可烨教授（华东师范大学）和陈冰教授为论文共同通讯作者。“Robust 1-μm-Resolution Magnetic Probe Enabled by Optical Trapping of Nanodiamonds on a Tapered Fiber” 研究工作，博士研究生方蝶为第一作者，范经纬副研究员和陈冰教授为论文共同通讯作者。研究工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、安徽省科技攻关计划、省重大科技攻关项目、合肥工业大学中央高校基本科研业务费等项目资助。
文章链接：https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.5c02307
新闻链接：http://news.hfut.edu.cn/info/1011/74696.htm
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