亚10 pT级高灵敏金刚石量子磁强计

近日，上海微系统所传感器技术全国重点实验室在金刚石量子传感领域取得重要进展。具有氮空位（NV）色心的金刚石作为一种高性能量子传感材料，在极弱磁场探测领域展现出巨大潜力。然而，如何进一步提升其在低频段的磁灵敏度并抑制1/f噪声，仍是制约其走向实际应用的关键挑战。研究团队通过激光波长优化的高效激发方案，结合谐振天线设计与π相位双共振抑制技术，在35 mW激光功率与1 mW微波功率的低功耗条件下成功实现了亚10 pT级的高灵敏度金刚石量子磁强计。

相关研究成果以“A Sub-10 pT·Hz-1/2 Diamond Quantum Sensor with 1/f Noise Suppression Using 561 nm Laser Excitation”为题发表于国际光学领域知名期刊ACS Photonics 。论文第一作者为博士研究生彭霄，通讯作者为武震宇研究员和陈浩研究员。该研究工作得到了国家重点研发计划、上海市战略前沿专项等支持。

研究团队针对上述瓶颈，从激发光优化与系统噪声抑制两个维度出发，采用了创新的技术方案。激光波长优化的高效激发：由于NV0与NV-在不同激发波长下存在不同的吸收效率，实验搭建了基于561 nm激光激发的量子传感系统。研究发现，相比于传统的532 nm激光，采用561 nm激光（黄绿光）激发能够显著提高NV-/NV0的激发比例（1.4倍提升）。通过降低NV-的光电离效应，有效提升了光探测磁共振（ODMR）的荧光对比度，从而在低激光功率（35 mW）下实现了更高的探测效率。

a）低噪声测试系统；（b）不同激发波长下金刚石光致发光光谱；（c）不同激发波长下ODMR谱

π相位双共振驱动技术： 针对低频段常见的1/f噪声干扰，利用具备π相位的双共振技术实现了实时共模抑制。该技术有效抵消了温度变化带来的共振点漂移。相比于传统单点频率锁定方案，该技术将1/f转折频率成功推低至1 Hz，对应灵敏度为10.6 pT·Hz-1/2，长时间测量中磁场漂移仅为3 nT，极大提升了近直流频段的测量稳定性。

（a）双共振测试系统示意图；（b）本振源信号；（c）一次混频示意图；（d）二次混频示意图；（e）π相位调制解调示意图；（f）单共振、双共振与OPM灵敏度对比（g）长时间时域磁场测量

同时在1至1000 Hz范围内实现了7.9 pT·Hz-1/2的优异灵敏度，为连续波光探测磁共振模式下的最优灵敏度之一，尽管一些先进的脉冲式或微波读出方案在较高频率下可实现更优的灵敏度指标，但本工作在抑制1/f噪声与近直流灵敏度方面具备显著优势，有利于低频/静磁场的高灵敏探测应用。

不同金刚石量子传感器性能对比

本研究通过协同优化光学激发路径与系统噪声抑制等手段，大幅提升了金刚石量子传感器在低频环境中的测试能力，实现了亚10 pT级的灵敏度突破。该技术方案在生物医疗成像、地球物理勘探以及精密工业监测等实际场景中展现出巨大的应用前景。未来将继续致力于传感系统的进一步微型化与集成化，推动量子精密测量技术由实验室走向复杂工业场景的实用化。