腦磁圖（MEG）觀測到的磁場微弱至皮特斯拉量級以下，要測量這類磁場，需要開發可在室溫下工作、可在生物體近旁使用的高靈敏度磁感測器。東京科學大學工學院電氣電子系的荒木裕太博士生、關口武治研究員、波多野睦子特命教授、岩崎孝之教授，日本國立研究開發法人物質與材料研究機構（NIMS）電子與光功能材料研究中心半導體缺陷控制團隊的寺地德之團隊負責人，國立研究開發法人量子科學技術研究開發機構（QST）高崎量子技術基礎研究所量子功能創制研究中心的大島武中心主任，以及電裝公司尖端技術研究所的柴田貴行主管課長等人組成的研究團隊，成功開發出一款基於金剛石氮-空位中心（NV中心）的拉姆賽干涉法的高靈敏度量子磁感測器。相關研究成果已發表在期刊《Applied Physics Letters》上，並入選精選論文（Featured Article）。
圖1 （a）包含磁體陣列的金剛石量子感測器整體示意圖；（b）感測頭的放大圖。感測器與被測對象的最短距離約2.0mm，該距離由微波天線與介質鏡的厚度決定。210mW、532nm的雷射射入金剛石內部。插圖展示了雷射在金剛石內部的多重反射的情景。（供圖：東京科學大學）
此前，基於NV中心的磁測量長期普遍採用連續波光探測磁共振（cw-ODMR）法，但為了獲得更高的探測靈敏度，向脈衝測量方法——拉姆賽干涉法轉型被認為至關重要。然而，傳統的拉姆賽型金剛石磁力計存在要實現高靈敏度，需要數瓦級高功率雷射激發，感測器溫度會大幅升高的問題。此外，微波加載所需部件體積較大，無法充分縮短感測器與樣品的距離，這在高靈敏度捕捉會隨距離增加急劇衰減的生物磁場方面構成了嚴重制約。
此次，研究團隊開發出了一款兼顧低發熱與近距離測量的新型拉姆賽型金剛石量子磁感測器。
首先，為提高激發光利用效率，研究團隊採用了光束縛金剛石波導技術。通過使雷射在金剛石內部以全反射方式持續傳播，增強了光與NV中心的相互作用，實現了低雷射功率下也可獲得充足螢光信號的效果。結果顯示，與此前研究（～4瓦級）相比，該方案僅需210毫瓦的低雷射功率便實現了較高的螢光收集（檢測）效率。
此外，研究團隊還開發出小型基板式微波天線，並成功將感測器與樣品的最短距離縮短至2.0毫米。由此，與既有基於拉姆賽法的感測器相比，測量距離縮短了3倍以上。生物磁場這類微弱磁場會隨場源距離增加急劇衰減，因此這種近距離設計對靈敏度的實際提升具有顯著作用。
測量方法採用雙量子4-拉姆賽序列與鎖相檢測相結合的方式，由此可在抑制噪聲影響的同時，在100～400Hz頻帶內實現2.93pT/√Hz的高靈敏度。同時，感測器工作時的溫升控制在約13℃，工作溫度低於生物安全性指標42℃。在採用模擬腦磁場分佈的乾式體模開展的評估中，感測器在與樣品保持約2.5毫米距離的條件下，無需信號累加平均，便以高信噪比（＞4.3）探測到了77.7pT的微弱磁場。
要檢測腦磁信號這類亞皮特斯拉級的微弱磁場，還需進一步的累加處理等操作。不過，本次在面向生物測量的近距離配置條件下成功完成體模測量，已證明該技術具備實用化前景。
未來，該技術不僅有望應用於腦磁圖儀（MEG）、心磁圖儀（MCG）等醫療診斷設備，還可拓展至涵蓋小動物神經活動、肌肉活動的無創測量等場景的基礎生命科學與藥物研發領域。這種可在室溫下工作的小型高靈敏度量子感測器，預計將大幅改變生物磁測量此前長期依賴大型設備的狀態。
研究團隊表示，今後將通過進一步提升金剛石晶體質量以延長相干時間、提升NV中心的電荷態調控水平、降低參考光來源的噪聲等途徑，致力於靈敏度的進一步提升。同時，團隊還將提升系統對溫度波動引發的共振頻率漂移的耐受能力，推動建立可長時間穩定工作的測量系統。
原文：《科學新聞》
翻譯：JST客觀日本編輯部
【論文資訊】
期刊：Applied Physics Letters
論文：A Highly Sensitive Diamond NV Magnetometer Using Ramsey Interferometry with a Short Sensor-to-Sample Distance
DOI：10.1063/5.0334709
