探索地球往事！量子精密測量技術在古地磁學中的應用

2011年，科研工作者們證實了金剛石中的氮-空位色心（簡稱NV色心）可以用于亞微米尺度上的磁成像。2017年，哈佛大學R.L.Walsworth等人利用自搭的基于NV色心的量子鉆石顯微鏡，實現了巖石磁場的成像，其指標空間分辨率為5 um、視場范圍為4 mm。通過減少金剛石與樣品之間的距離（≤10 um）,實現磁矩靈敏度10^-16 A·m²，這一指標可媲美乃至超越SQUID、磁阻顯微鏡、霍爾顯微鏡等主流設備。此外，量子鉆石顯微鏡還具有光學成像功能和成像速度快的優勢。    

可見，在地質、磁隕石的探測分析中，量子鉆石顯微鏡展現出了巨大的應用潛力，為弱磁成像開辟了新的道路。隨著人類對月球、火星等深空領域的不斷探索，量子鉆石顯微鏡也將應用于月巖、火星巖石的表征分析中。

量子鉆石顯微鏡的大致構造如上圖（a）所示。整個探頭部分置于三維的亥姆霍茲線圈中，其作用是施加外磁場使得金剛石內NV色心能級退簡并。實驗過程中金剛石緊貼于巖石樣品表面，如上圖（b）所示。下面簡述量子鉆石顯微鏡的工作原理。

首先利用激光聚焦實現金剛石內NV色心量子態的初始化。然后掃描輸入微波的頻率，并通過輻射天線作用到NV色心上。當微波頻率與NV色心能級共振時，NV色心的m_s=±1態與m_s=0態布居數反轉，熒光強度下降。在成像區域內隨微波頻率變化的熒光信號經物鏡收集后由收集光路成像到sCMOS相機上。

在實驗中通過sCMOS相機設定成像區域為M×N個像素點，每次進行圖片采集相當于M×N個像素點同時進行熒光信號探測。在所有頻點數據采集完成后，即得到完整的光探測磁共振譜（簡稱ODMR譜），通過相應的數據運算把每個像素點的磁場強度解算出來。最后把每個像素點的位置與磁場強度對應起來，用顏色區分各個像素點的磁場強度，實現二維磁場成像。

2022年，國儀量子自主研制的“量子鉆石顯微鏡"面向全球發布，這是一款基于金剛石NV色心技術的、先進的商用量子精密測量儀器，具有高空間分辨率、大視野、成像速度快等優勢，有望在古地磁領域產生新的科學增長點。同時，在半導體、材料科學、細胞磁學、體外診斷等多個領域也具有廣闊的應用前景。