基于图像匹配加速算法的金刚石氮-空穴色心轴向识别

场矢量探测是量子精密测量的重要分支,在基础物理、生物医学、材料科学等领域,都有着广泛的应用。金刚石氮-空穴(Nitrogen-Vacancy Center)色心作为量子传感器,在室温下具有较长相干时间,可以实现纳米尺度的磁场探测。为了实现纳米分辨率的磁场重构,需要选取金刚石中三个不同轴向的NV色心作为磁场传感器。实验上能否快速和精确地获得NV色心的轴向信息直接决定着矢量磁场测量的精度和效率。本文利用角向偏振光束代替高斯光束激发NV色心获得其扫描荧光图像,结合卷积神经网络对NV色心的荧光图像进行识别,提出了一种基于图像匹配的NV色心拟合优化算法,在梯度下降算法上结合图像识别处理和匹配算法,优化了NV色心轴向信息的提取过程,提高了拟合的速度和准确率,进而增加了磁场矢量重构的效率。

基于金刚石量子传感的纳米磁成像及凝聚态物理应用

作为凝聚态物理的重要方向,磁性的研究不仅是发展自旋电子学器件的基础,也是突破已有材料和器件功能壁垒的关键之一。磁性材料的纳米分辨率成像对认识和理解物质微观性质至关重要。金刚石中的氮-空位(NV)色心是一种对磁信号敏感的原子缺陷,经过十余年的深入研究,其已经发展为兼具高灵敏度和高空间分辨率的磁量子传感器,能够以纳米分辨率对单层磁性材料进行成像。它作为一种广谱(DC-GHz)、高灵敏度(nT/Hz^1/2)、高空间分辨率(~10 nm,理论极限~1 nm)的磁成像技术,可以对包括二维磁性材料、电流分布、电导率分布乃至单个电子自旋,少数个核自旋进行纳米磁成像。文章从NV色心微观结构和性质出发,介绍其作为量子传感进行磁信号探测和成像的原理;进一步从技术层面介绍谱仪的构成和探针制备;最后选取有代表性的工作,简要介绍NV扫描显微镜在各方面的应用。