澳科学家基于荧光金刚石微粒研发出新型量子传感器

皇家墨尔本理工大学的项目为可现场部署的量子计量学应用铺平了道路。

据麦姆斯咨询报道，由澳大利亚皇家墨尔本理工大学（RMIT University）牵头的一个项目展示了掺杂荧光微粒的玻璃光纤如何充当磁场传感器。

发表在APL Materials杂志上的这项突破性研究可能会使这类传感器的制造和部署变得更加容易，以开拓量子计量学领域的新应用。

他们的研究基于金刚石特定的晶格缺陷——氮空位（NV）中心产生有用的光致发光，并使用外部电磁场或其它辐照来操纵这种发光，从而将氮空位中心变为光寻址传感器。

氮空位中心作为磁场传感器内置到量子信息系统中的潜能已经经历了一段时间的研究。2018年，一个由弗劳恩霍夫应用固体物理研究所（Fraunhofer IAF）协调的欧洲项目研究出将掺杂氮空位的金刚石用作激光介质的技术，该技术被称为激光阈值测磁法，当时被Optics.org描述为“一种新的传感方法”。

迄今为止的问题是，大多数氮空位传感器都需要用显微镜来收集荧光信号，因此需要相对复杂的实验平台，因而将其应用限制在实验室环境中。

皇家墨尔本理工大学曾使用体积掺杂技术，在块体原料阶段将荧光金刚石纳米颗粒整合到玻璃基质中去，从而制造出一种在整个纤维体积内分散纳米金刚石的光纤。这项新突破涉及一种改进的掺杂方法，该方法将微米级金刚石颗粒限制在纤维横截面内的角界面，将氮空位荧光限制在纤维的中心区域，有助于沿光纤采集信号。

其中一个灵感来源于一位玻璃艺术家的纳米金刚石装饰作品，阿德莱德（Adelaide）的玻璃吹制艺术家Karen Cunningham与团队一起测试了一些更大的50微米金刚石。该艺术家和科学家都指出，金刚石颗粒不受吹制玻璃操作的影响，并成功地为人造玻璃制品提供了装饰效果。

艺术家Karen Cunningham用玻璃和金刚石制造的光学容器，皇家墨尔本理工大学项目的灵感之一

量子传感新问题的解答

阿德莱德大学（University of Adelaide）的项目合作者Heike Ebendorff-Heidepriem表示，“对我们而言，这是一个灵感乍现的时刻，我们意识到我们可以用更传统的玻璃光纤制造金刚石传感器。”

该团队最终的掺杂纤维制造过程是一个分为两个阶段的操作。首先将玻璃挤压成甘蔗形状，在其外部涂上金刚石颗粒。然后，将涂覆的甘蔗形状玻璃插入一个单独的中空玻璃管中，并将双组件下拉到掺杂金刚石的光纤中。

掺杂纤维制造过程

根据该项目的实验，发光光谱和电子自旋共振表征表明，整个光纤拉伸过程中，金刚石微晶中氮空位中心的光学性能保持良好。研究团队展示了通过50厘米光纤的有效氮空位自旋磁共振读数。

研究团队表示，“混合光纤在氮空位发射光谱窗口中的传输损耗低至约4.0 dB/m，从而可以对光学检测到的磁共振信号进行远程监测。”

现在，这种光纤使得基于光纤金刚石传感器的扩大生产成为可能，并用于许多现场可部署的量子计量应用。

皇家墨尔本理工大学的Dongbi Bai补充道，“这项研究将帮助我们制造出便宜且能够监测磁场变化的量子传感器网络，开拓出许多有用的应用，并为我们尚未来得及思考的问题答疑解惑。”