实现纳米尺度亚纳特斯拉测磁灵敏度的单自旋量子传感技术

针对磁场测量中灵敏度和空间分辨率的综合需求，该研究使用金刚石氮-空位色心单自旋作为磁场传感器。通过融合优化实时反馈电荷态初始化、形状脉冲高保真度操控、动力学解耦和重复读出等量子技术，同时克服了近表面氮-空位色心的主要缺点，如短相干时间、低初始化保真度和低读出效率等，在纳米尺度实现0.5 nT/√Hz的测磁灵敏度。这是目前室温下单个氮-空位色心的最高记录，也是磁测量领域各技术手段中灵敏度和空间分辨率最优的综合指标，即从能量分辨率方面来看表现出色，达到了0.18 ± 0.01 ℏ的最优指标，超过了所有其他磁强计。实验中使用的氮-空位色心位于钻石表面附近，通过控制氮-空位色心的深度，可以适应不同应用场景的需求。

图1：金刚石中近表面单个氮-空位色心实验系统示意图

因此，这种磁场传感器将为搜索新的短程相互作用寻找超出标准模型的新物理、研究凝聚态物质中的微观磁现象以及检测亚细胞尺度的生命活动等领域带来新的可能性，开辟了新的探索区域。未来，通过表面修饰处理来减少电磁噪声和通过低温抑制自旋晶格弛豫，可以进一步将单个自旋测磁灵敏度和能量分辨率提高一个数量级以上。

图2：用于磁场测量的试验序列包括实时反馈初始化，相位积累和数据采集等。