鑽石裏的量子秘籍：這顆 “原子級眼睛” 如何刷新測量極限？_風聞

量子精密測量是今天標定國際單位的核心，那麼它是如何實現的，用到了哪種材料？本文聚焦金剛石 NV 色心這一量子材料明星——儘管它是“鑽石”內部的缺陷，但因具備常温穩定的量子態、易操控等特性，成為量子精密測量利器。

撰文 | 梁坤（中國科學技術大學）

在上一篇文章《量子精密測量如何重新定義世界？》中，我們介紹了“量子精密測量”這一前沿技術：它能夠通過操控微觀粒子的量子態，對時間、磁場、電流等物理量進行超高精度的測量。簡單來説就是：準備好量子材料，觀察它在外界物理量作用下發生的狀態變化，然後再讀出這些變化，就可以計算出外界物理量的大小。

但説起來容易，真正做起來可沒那麼簡單。要實現量子精密測量，我們需要一套“量子工具箱”，其中包含了能夠形成穩定量子態的“量子材料包”、能夠精準調控量子態的“量子操縱桿”以及高精度讀取量子態的“量子顯示器”。

在“量子材料包”中，有一位特別亮眼的“明星成員”——金剛石NV色心（Nitrogen-Vacancy center）。NV色心藏在金剛石晶體內部，是一種具有特定結構的微小缺陷，卻恰好具備了量子測量所需的一切條件：穩定的量子態、可控的電子自旋、對磁場和温度極其敏感，還能用光學、微波等手段進行讀寫，因而在量子計算和量子精密測量領域展現出巨大的應用前景。

金剛石NV色心是什麼？

金剛石在正常情況下是一種無色透明的晶體，由於它的折射率很高，因此切割出不同的斜面之後，會讓光線強烈折射，呈現出漂亮的火彩。因而內部純淨的金剛石會被用作寶石，其商業名稱就是我們熟知的“鑽石”。

內部純淨的金剛石被用作珠寶丨圖片來源：Wikipedia

但在實際情況中，金剛石內部常常含有微量雜質或晶格缺陷，這些不完美的結構會改變其光學性質，使晶體呈現出不同的顏色。這類能吸收或發射特定波長光的缺陷，稱為色心（colorcenter）。

色心可以是單個雜質原子、多個雜質組合，或是原子缺失等缺陷類型。理想情況下，晶體內部的結構應該是週期性重複的，但是色心的存在打破了晶體的這種週期性，使某些位置具有不同的電子結構。這些電子結構對外界光照、磁場、電場等物理量具有特殊的響應能力。因此，色心不僅可以改變晶體的顏色，還可以為晶體賦予獨特的光電特性。

不同的色心會讓鑽石呈現不同的顏色，比如天然金剛石中通常含有N3色心，N3色心對黃綠光的吸收較強，對藍紫光的吸收較弱，因此天然鑽石會顯得偏藍；還有H3、H4色心，可能讓鑽石看起來偏綠；最特別的是NV色心，它不僅能讓鑽石偏紅，還能感應磁場、温度等外界信息。

金剛石中常見色心及示意圖丨圖片來源：作者

NV色心的名字來自它的兩個組成部分：N代表氮原子（Nitrogen），V代表“空位”（Vacancy）。金剛石單晶是由碳原子緊密排列組成的，如果在某些位置，氮原子替代一個碳原子，並且這個氮原子的旁邊剛好缺了一個碳原子，也就是空了一個位置，那麼這種“氮原子+空位”的組合，就是所謂的NV色心。

金剛石NV色心結構示意圖丨圖片來源：作者

NV色心為什麼能用於量子精密測量？

雖然它是一個微小的結構缺陷，但它對科學家來説非常重要。原因有二：第一，NV色心是一種常温的量子體系，在室温下就能工作，不需要極冷的外部環境；第二，它易於控制和讀取，它內部的電子狀態可以被激光和微波控制並讀取。

NV色心有兩種帶電狀態：一種為中性狀態，一種為帶負電狀態。這兩種狀態在鑽石中是同時存在的，且在特定條件下可實現相互轉化。但帶負電時，電子自旋更容易被操控和檢測，因此在科學研究中，大家説到NV色心，一般都是指帶負電狀態的NV。

NV色心之所以能測量磁場、電流、温度這些物理量，靠的是電子的“內在屬性”——“自旋”。自旋態不同的電子，在磁場中攜帶的能量可能不同，即處在不同的能級。電子的自旋並不意味着電子在繞軸“旋轉”，自旋這種性質是量子世界中特有的，無法與宏觀物體的“自轉”完全對照。

電子自旋的概念圖丨圖片來源：作者

對於NV色心來説，它的電子有三種自旋態或量子態，可以用符號表示為|0⟩態、|+1⟩態和|-1⟩態。我們可以將其簡單理解為這是電子的三種“姿態”，對應三個能級。在沒有外磁場及其他干擾因素時，電子可能處於三種自旋態中的任意一種，且分佈是完全隨機的。

我們可以用一束特定波長的綠色激光，將NV色心裏的電子都“初始化”為|0⟩態。然後，施加微波與電子相互作用，如果微波攜帶的能量剛好對應於|0⟩態與|±1⟩態的能量差，那麼電子就會躍遷到對應的能級，自旋態也會轉換為|±1⟩態。反之，電子依然會停留在|0⟩態。其中，|0⟩態電子受到綠色激光照射後發出的紅色熒光較強，而|±1⟩態發出的紅色熒光較弱，通過觀測熒光強度變化，就可以判斷出電子所處的自旋態。

沒有外磁場時，|+1⟩態和|-1⟩態所攜帶的能量相同，對應於同一個微波頻率。而外加磁場會改變|+1⟩態和|-1⟩態所在的能級，分別對應於一個微波頻率。如果頻率對不上，哪怕頻率高於所需頻率，電子依然會停留在|0⟩態，會發出比較強的紅色熒光；如果頻率相匹配，部分電子會躍遷至|+1⟩態或|-1⟩態，發出的熒光就會變暗。

金剛石NV色心電子自旋態與熒光強度的關係丨圖片來源：作者

通過“熒光強度是否變化”，就可以判斷量子態是否發生變化，進而得到|+1⟩態或|-1⟩態所對應的微波頻率，兩個微波頻率的差便可用來計算外加磁場的大小。

如何利用NV色心進行量子精密測量？

那麼NV色心的具體測量過程是怎樣的呢？科學家通常會分成七個步驟來完成。

1.初始化

先用一束綠色激光照射NV色心。這個過程會把電子“初始化”到一個已知的狀態，通常是|0⟩態。

2.狀態製備

施加一個特定頻率的微波信號，如果頻率合適，就會讓電子從|0⟩躍遷到|+1⟩態或|-1⟩態。

3.狀態演化

接下來讓外部磁場作用於NV色心，磁場會改變電子自旋態之間的能量差，使|+1⟩態和|-1⟩態的兩個能級相互分離。

4.狀態轉化

再用不同的頻率微波連續掃描，當頻率剛好和能量差匹配時，就會出現共振。電子會從|0⟩態躍遷到|+1⟩態或|-1⟩態，此時金剛石發出的熒光會變暗。

5.狀態讀取

利用光電探測器來記錄金剛石發出的紅色熒光強度。共振時熒光變暗，不共振時熒光較亮。熒光的亮度告訴我們：微波在哪個頻率引起了電子的共振。

6.重複測量

為了保證準確性，會對同一個磁場進行多次測量，或者用多個NV色心同時測量後取平均值。

7.提取磁場數值

最後，根據共振發生時的頻率差，就能反推出外界磁場強度等於頻率差的一半除以NV色心的電子旋磁比，其中電子旋磁比是一個物理常數。

量子精密測量基本步驟示意圖丨圖片來源：作者

這個測量方法有一個專業名字，叫做CW-ODMR，意思是“連續波—光探測磁共振”。別被它複雜的名字嚇到，它的核心思想很簡單：

連續波：施加頻率連續的微波；

光探測：用光來看電子的自旋態有沒有發生變化；

磁共振：找到哪個頻率會引起躍遷，從而計算外界磁場大小。

我們可以把測量結果畫成一張圖，橫軸是微波頻率，縱軸是紅色熒光的強度。某些頻率下光變暗了，就表示發生了共振。這張圖叫做CW譜。它就像一張“電子響應曲線”，通過分析它，科學家就能把“光的變化”轉化為“磁場的大小”。

連續波-光探測磁共振法示意圖丨圖片來源：作者

磁場不僅有大小，而且有方向。NV色心不僅能夠測量磁場大小，而且還能測量出磁場的方向。這是因為在鑽石的內部，碳原子的排列非常規則，會形成一個個正四面體。以空位，NV色心可以並不是都朝着一個方向，而是可能出現在四個不同的方向上。

簡單理解就是：有些NV色心可能朝着“上右前”方向，有些可能朝着“下左後”方向，或者四個方向互相之間夾角相等。這就好像有四組小小的“天線”，分別對着四個不同方向。每一個方向上的NV色心只能感知它朝向方向上的磁場變化。

由於在一個NV色心中，磁場會讓共振峯從一個分裂成兩個。因此樣品中四個方向的NV色心在測量結果的圖像上，會表現為八個共振峯，科學家通過分析這四組峯的位置，就能解出整個磁場在三維空間中的“東南西北+上下前後”分量。這種三維測量能力，讓NV色心不僅能告訴我們“磁場有多強”，還能告訴我們“磁場從哪裏來、往哪裏去”，這在材料研究、生物磁成像甚至地球物理探測中都有重要應用。

金剛石NV色心實現矢量磁場測量丨圖片來源：作者

能測磁，但不限於測磁

除了磁場，NV色心還能測温度。這聽起來可能有點意外——一個原本只是鑽石中微小缺陷的結構，竟然還能同時感應兩種物理量。

那麼它是怎麼做到的呢？

前面我們説過，外部磁場會讓NV色心中電子的能級“分裂”，在CW譜中出現兩個共振峯，可以用共振峯之間的距離來計算磁場的大小。而温度的變化，會讓CW譜的共振峯平移，可以用平移的距離來計算温度的大小。這兩個變化互不干擾，因此NV色心可以同時測出磁場和温度。另外，NV色心也可用於微波功率、應力等物理量的測量。

NV色心只需要一套操控和讀取系統，就能在一個位置同時準確感知多個物理量，這大大提升了測量的效率和可靠性。

金剛石NV色心對温度、磁場和微波功率的響應丨圖片來源：作者

在實際應用中，NV色心主要有兩種分佈方式：單個色心，或由多個色心組成的系綜（是指由大量相同量子系統組成的集合體）。單色心具有更高的空間分辨率，適合做納米級別的精密測量，比如探測材料內部微小的磁場變化或測量細胞內部的温度。但由於信號弱，對實驗設備要求高，主要用於科研領域。

而NV色心繫綜由大量結構相同的色心組成，整體熒光信號強、抗干擾能力好，適合在複雜環境中穩定工作。它廣泛應用於工業檢測場景，比如電力系統中的電流監測。

實際上，從基礎研究用的NV色心材料，到產業應用的量子電流互感器，我國的科學家們已經將這條技術轉化路徑變為現實。在下篇文章中，讓我們繼續瞭解基於NV色心繫綜開發的實用型工業設備，見證量子技術落地的最新案例。

出品：科普中國

監製：中國科普博覽

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