基于金刚石氮-空位色心的温度传感

在各种物理量中,温度是最直观和最普遍的量.温度的剧烈变化通常意味着物体的物理性质出现波动,因此在各个领域中温度往往是重要的指标.随着科学技术的发展,许多领域研究和应用的尺度越来越小,然而在小于10μm的空间尺度内还没有通用的温度测量方法.除了空间分辨率的要求,传感器在测量过程中不应该对被测对象有巨大影响,金刚石氮-空位(nitrogen vacancy,NV)色心是一种稳定的发光缺陷,通过对其能谱和电子自旋量子态的测量,可以获得其附近温度、电磁场等物理量的信息.由于金刚石的化学特性稳定和热导率高,可以进行纳米尺度的非破坏性测量.它对细胞无毒,也可以用于生命领域的研究.此外,根据金刚石的特性,NV色心可以与光纤、扫描显微镜等技术结合,实现不同场景中的温度测量.本文将介绍金刚石NV色心的温度特性、测温原理及其在相关领域的应用.

Simultaneous temperature and magnetic field measurements using time-division multiplexing

Nitrogen-vacancy color centers can perform highly sensitive and spatially resolved quantum measurements of physical quantities such as magnetic field,temperature,and pressure.Meanwhile,sensing so many variables at the same time often introduces additional noise,causing a reduced accuracy.Here,a dual-microwave time-division multiplexing protocol is used in conjunction with a lock-in amplifier in order to decouple temperature from the magnetic field and vice versa.In this protocol,dual-frequency driving and frequency modulation are used to measure the magnetic and temperature field simultaneously in real time.The sensitivity of our system is about 3.4 nT=√Hz p and 1.3 mK=√Hz p,respectively.Our detection protocol not only enables multifunctional quantum sensing,but also extends more practical applications.

基于金刚石氮-空位色心的光纤量子传感

金刚石中的氮-空位(NV)色心在室温下具有稳定的荧光发射,超长的电子自旋相干时间以及许多优良的光学性质,可以对电磁场,温度进行高灵敏度表征。光纤传感技术近几年来发展迅速,在电力、化工、交通、医疗、环保及军事等领域得到广泛应用。光纤体系由于其集成度、实用性高以及操作便捷性,且具有优良的传输光能力,损耗较低,可与NV色心结合,形成一种高集成化、高灵敏度的便捷性传感系统,未来将会作为传感器件投入到许多领域的应用中,例如对生物细胞、材料温度、磁场等物理量的高灵敏度测量。本综述主要介绍NV色心体系的光纤量子传感技术的工作原理、实现方式以及在相关领域的应用。