金剛石中的氮-空位（NV）色心在室溫下具有優異的自旋相干性，被視為量子磁力儀的主要候選材料，在納米尺度現象和高靈敏磁場檢測方面具有巨大的潛力。然而，要想實現同時具有高空間分辨率和高磁場靈敏度的固態磁力儀仍面臨挑戰。

       據麥姆斯咨詢報道，近日，日本豐橋技術科學大學（Toyohashi University of Technology）、東京大學（the University of Tokyo）和美國哥倫比亞大學（Columbia University）的研究人員組成的團隊利用片上金剛石微環諧振器展示了一種具有高磁場靈敏度的納米尺度量子傳感器（圖1）。微環諧振器通過將光子限制在納米尺度區域內，提高了光子的利用效率，從而在光子芯片上達到了1.0 μT/√Hz的磁場靈敏度。該研究還證實，這種片上方法通過與光子波導耦合可實現高效光提取，進一步提升了檢測靈敏度。該研究工作為用于基礎科學、化學和醫學等領域中檢測各種納米尺度物理量的芯片級封裝傳感器開發提供了一條途徑。上述研究成果以“High-sensitivity nanoscale quantum sensors based on a diamond micro-resonator”為題發表于Communications Materials期刊。

圖1 基于金剛石微環諧振器的量子傳感器

       量子傳感器制造

       圖2顯示了用于量子傳感器的金剛石微環諧振器的制造基本工藝流程。圖2a-2c顯示了制造金剛石微環結構的工藝流程。制造完成的微環結構的SEM圖如圖2d所示。接下來，研究人員采用“拾取-翻轉-放置轉印技術”（Pick-Flip-and-Place transfer printing）將金剛石微環結構集成于光子芯片，如圖2e-2g所示。集成在SiO?襯底上的金剛石NV色心微環諧振器的SEM圖如圖2h所示。

圖2 基于金剛石微環諧振器的量子傳感器制造工藝流程

       量子傳感器表征

       研究人員通過進行?μ-PL（顯微光致發光）測量對所制造的器件進行了表征。圖3a顯示了半徑為1.3?μm、寬度為440?nm的微環諧振器的典型光致發光（PL）譜。由于該微環結構基于三角形波導，圖3a中可觀察到橫向電場（TE）模式和橫向磁場（TM）模式。通過利用洛倫茲函數對光致發光數據進行擬合（圖3b），對于半徑和寬度分別為1.3（2.3）?μm和650（800）nm的微環，其TE模式和TM模式的品質因子（Q-factor）分別確定為1000（2200）和1300（2300）。

       研究人員對所制造的器件進行了進一步的詳細表征。為此，他們在光子芯片上的微環諧振器附近部署了一個120 μm的微波天線。圖3c顯示了微環諧振器的光檢測磁共振（ODMR）譜。

圖3 基于金剛石微環諧振器的量子傳感器表征

       接下來，研究人員對所制造的器件進行了自旋相干性表征，結果如圖4所示。

圖4 量子傳感器的自旋相干性表征

       磁場靈敏度評估

       最后，研究人員評估了該量子傳感器對磁場的靈敏度。圖5a展示了用于評估靈敏度的鎖相檢測基本原理。微波頻率被固定在2.8724 MHz。隨后，他們使用位于器件下方的圓形線圈（半徑10 mm，匝數6）施加了1 kHz的磁場，并將其連接到玻璃樣品支架上。磁場的振蕩導致ODMR譜中的信號下降發生波動，該波動通過示波器連接的鎖相放大器進行檢測。

       圖5b顯示了檢測到的鎖相電壓與外加磁場強度的函數關系。為了估算該器件的最小可檢測磁場，研究人員對所獲得的數據進行了線性擬合，如圖5b所示。圖5c是圖5b中顯示的弱磁場區域的放大視圖。利用擬合結果和本底噪聲水平，研究人員估算出該器件的最小可檢測磁場為1.0 μT/√Hz。

圖5 量子傳感器的磁場靈敏度評估

       用于提高靈敏度的波導耦合結構

       研究人員證實，通過引入最先進的波導進行金剛石量子傳感，可以進一步提高所開發系統的磁場靈敏度。圖6a顯示了所研究結構的示意圖，其中金剛石微環諧振器被異質集成在低損耗的SiN波導旁，該波導與CMOS兼容，因此可以構建緊湊和功能化的量子傳感器件。不同金剛石量子傳感器的磁場靈敏度比較如圖6c所示。

圖6 通過波導耦合進一步提高磁場靈敏度

       小結

       綜上所述，這項研究展示了一種基于金剛石微環諧振器的納米尺度高靈敏度量子傳感器。通過結合金剛石納米加工技術與“拾取-翻轉-放置轉印技術”，成功制備了含有大量NV色心的高Q值金剛石微環諧振器。這種基于芯片的方法通過利用尖端集成光子技術的優勢有助于實現量子傳感器的小型化。通過對芯片上的NV色心進行相干自旋操控，所開發的納米尺度量子傳感器實現了1.0 μT/√Hz的磁場靈敏度，并達到了25%的電子自旋共振對比度。研究人員還通過數值模擬證明，基于微腔的平臺與SiN光子技術的結合進一步將磁場靈敏度提升至1.3 nT/√Hz。磁場靈敏度的提高顯著減少了數據采集時間，并能夠實現對微弱磁場的實時檢測和監控。該金剛石量子傳感器具備亞nT級靈敏度，可便捷地對要求微米級精度的磁場信息進行成像。總之，本項研究基于光子芯片，為納米到微米級高靈敏度量子傳感鋪平了道路，其應用領域涵蓋凝聚態物理、化學、神經科學以及生物醫學等。

       論文鏈接：https://doi.org/10.1038/s43246-025-00770-x