基於螢光金剛石微粒，科學家研發出一種新型量子傳感器

2020-09-03 麥姆斯諮詢

皇家墨爾本理工大學的項目為可現場部署的量子計量學應用鋪平了道路。
據麥姆斯諮詢報導，由澳大利亞皇家墨爾本理工大學（RMIT University）牽頭的一個項目展示了摻雜螢光微粒的玻璃光纖如何充當磁場傳感器。
發表在APL Materials雜誌上的這項突破性研究可能會使這類傳感器的製造和部署變得更加容易，以開拓量子計量學領域的新應用。
他們的研究基於金剛石特定的晶格缺陷——氮空位（NV）中心產生有用的光致發光，並使用外部電磁場或其它輻照來操縱這種發光，從而將氮空位中心變為光尋址傳感器。
氮空位中心作為磁場傳感器內置到量子信息系統中的潛能已經經歷了一段時間的研究。2018年，一個由弗勞恩霍夫應用固體物理研究所（Fraunhofer IAF）協調的歐洲項目研究出將摻雜氮空位的金剛石用作雷射介質的技術，該技術被稱為雷射閾值測磁法，當時被Optics.org描述為「一種新的傳感方法」。
迄今為止的問題是，大多數氮空位傳感器都需要用顯微鏡來收集螢光信號，因此需要相對複雜的實驗平臺，因而將其應用限制在實驗室環境中。
皇家墨爾本理工大學曾使用體積摻雜技術，在塊體原料階段將螢光金剛石納米顆粒整合到玻璃基質中去，從而製造出一種在整個纖維體積內分散納米金剛石的光纖。這項新突破涉及一種改進的摻雜方法，該方法將微米級金剛石顆粒限制在纖維橫截面內的角界面，將氮空位螢光限制在纖維的中心區域，有助於沿光纖採集信號。
其中一個靈感來源於一位玻璃藝術家的納米金剛石裝飾作品，阿德萊德（Adelaide）的玻璃吹制藝術家Karen Cunningham與團隊一起測試了一些更大的50微米金剛石。該藝術家和科學家都指出，金剛石顆粒不受吹制玻璃操作的影響，並成功地為人造玻璃製品提供了裝飾效果。

藝術家Karen Cunningham用玻璃和金剛石製造的光學容器，皇家墨爾本理工大學項目的靈感之一


量子傳感新問題的解答
阿德萊德大學（University of Adelaide）的項目合作者Heike Ebendorff-Heidepriem表示，「對我們而言，這是一個靈感乍現的時刻，我們意識到我們可以用更傳統的玻璃光纖製造金剛石傳感器。」
該團隊最終的摻雜纖維製造過程是一個分為兩個階段的操作。首先將玻璃擠壓成甘蔗形狀，在其外部塗上金剛石顆粒。然後，將塗覆的甘蔗形狀玻璃插入一個單獨的中空玻璃管中，並將雙組件下拉到摻雜金剛石的光纖中。

摻雜纖維製造過程

根據該項目的實驗，發光光譜和電子自旋共振表徵表明，整個光纖拉伸過程中，金剛石微晶中氮空位中心的光學性能保持良好。研究團隊展示了通過50釐米光纖的有效氮空位自旋磁共振讀數。
研究團隊表示，「混合光纖在氮空位發射光譜窗口中的傳輸損耗低至約4.0 dB/m，從而可以對光學檢測到的磁共振信號進行遠程監測。」
現在，這種光纖使得基於光纖金剛石傳感器的擴大生產成為可能，並用於許多現場可部署的量子計量應用。
皇家墨爾本理工大學的Dongbi Bai補充道，「這項研究將幫助我們製造出便宜且能夠監測磁場變化的量子傳感器網絡，開拓出許多有用的應用，並為我們尚未來得及思考的問題答疑解惑。」

論文連結：

https://doi.org/10.1063/5.0013473

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