近日，東京工業(yè)大學關口直太特任副教授、巖崎孝之副教授、波多野睦子教授等聯(lián)合研究團隊稱，利用金剛石中的氮-空位中心開發(fā)出了金剛石量子傳感器，在低頻磁場下成功實現(xiàn)了9.4pT/√Hz的高靈敏度檢測。該團隊表示該技術有望應用于不需要磁屏蔽和冷卻劑等大型高成本設備的腦磁測量上。未來，這一技術有望應用于針對腦活動的常規(guī)檢查等腦機接口上。相關研究成果以發(fā)表于Physical Review Applied期刊。

圖1 過去的金剛石量子傳感器性能以及為了測量腦磁場所需要的性能（供圖：東京工業(yè)大學）

       金剛石在量子傳感領域備受青睞

       目前，金剛石量子傳感器也成了國際量子競爭前沿領域之一。美國、英國、歐盟等西方國家均將NV中心量子調控與量子傳感器應用作為重點支持方向。

       長期以來，金剛石憑借其相干氮-空位（NV）中心、可調節(jié)自旋、磁場敏感性以及在室溫下工作的能力，一直在量子傳感領域備受青睞。這是由于金剛石本身具有極高的化學穩(wěn)定性和物理耐用性，是世界上硬度最高導熱性最好的材料，這也使得金剛石量子傳感器非常適合于惡劣環(huán)境長期應用。

       在常溫下，金剛石量子傳感器即使在強磁場中也能進行高靈敏度的測量，因此有望應用于不需要磁屏蔽和冷卻劑等大型高成本設備的腦磁測量上。

       去年11月，日本東京工業(yè)大學團隊研發(fā)的金剛石量子傳感器可將電動汽車的續(xù)航里程增加約10%，該團隊表示，該技術可精確測量儲存的電量，從而最大限度地提高車載電池的性能，他們的目標是最早在2030年將這項技術投入實際應用。

       東京工業(yè)大學教授波多野睦子曾表示，最大的成本因素是金剛石。用于制造量子傳感器的金剛石是人工合成的，這與從礦山開采、用于珠寶首飾的天然鉆石不同。使用廉價線路板，采用從沼氣中提煉金剛石的量產方法，可大幅降低制造成本。   

       實現(xiàn)全球最高靈敏度的低頻磁場測量

       如今，該團隊在金剛石量子傳感器方向再次創(chuàng)新。

       此次，研究團隊開發(fā)出了一種在設計上更便于接近測量對象的金剛石量子傳感器，通過合成決定磁場靈敏度的自旋相位弛豫時間長的高品質金剛石，并將噪聲降低到量子力學的極限而實現(xiàn)的。

       這種單體金剛石量子傳感器在無需使用磁通量集中器的情況下，能夠在低頻區(qū)域實現(xiàn)最高的靈敏度。同時保持優(yōu)越的穩(wěn)定性，能以高靈敏度持續(xù)運行至少200分鐘。

       關口特任副教授表示：“能夠實現(xiàn)金剛石量子傳感器的高靈敏度化，是邁向常規(guī)腦磁測量等應用的重要一步。在今后的研究中，我們將會進一步探索提高靈敏度和實用化的方法。也計劃將開發(fā)的傳感器應用于動物研究，以驗證金剛石量子傳感器在腦磁測量中的效果?！?/p>

       另外，東京大學、日本國立物質材料研究所（NIMS）電子與光學功能材料研究中心、量子科學技術研究開發(fā)機構（QST）高崎量子應用研究所量子機能創(chuàng)制研究中心、以及文部科學省共同參與了研究。

       文章鏈接：DOI：10.1103/PhysRevApplied.21.064010