在弗勞恩霍夫應用固體物理研究所（IAF）的實驗室里，一種基于金剛石的神奇傳感器正在改變我們感知世界的方式。它利用金剛石晶格中獨特的氮空位（NV）中心，以前所未有的精度捕捉最微弱的磁場信號。這項突破性技術不僅體積小巧，更擁有顛覆多個領域的潛力。

        獨特原理與顯著優勢

        金剛石晶格中 NV 中心沿四個晶軸排列這一獨特性質，賦予了基于金剛石的 NV 矢量磁力儀強大功能。只需使用由（100）金剛石制成的單個傳感器芯片，就能檢測磁場的所有矢量分量。這一特性極大地減少了復雜校準的需求，突破了傳統磁力儀的限制，為測量技術帶來了重大進步。

        弗勞恩霍夫 IAF 量子設備業務部經理 Michael Stoebe 博士稱贊道：“基于金剛石的 NV 矢量磁力儀的獨特之處在于其原生且直觀的功能，使其能夠在大多數工作條件下精確測量地球磁場的矢量分量。這使得該傳感器不僅是一項技術創新，更是傳感器技術的重大進步。”這種微型測量系統為神經通路的生化分析和微電子中的精密測量等需要高精度讀數和最小干擾的應用開辟了新路徑。

        持續創新，提升性能

        弗勞恩霍夫 IAF 的研究人員不斷追求卓越，在短短一年內成功將集成量子磁力儀的尺寸縮小了 30 倍。如今，傳感器頭更為緊湊，尺寸與工業界常用的傳統光泵浦氣室磁力儀（OPM）相當，同時保持了皮特斯拉級的高靈敏度。該基于金剛石的系統堅固耐用，測量范圍寬廣，相較于競爭技術優勢顯著，能適應各種測量場景且只需極少的校準。

        Michael Stoebe 博士強調：“我們正在努力實現更高的集成密度，同時提高靈敏度。明年的目標是將傳感器尺寸再次縮小 5 倍，進一步提高靈敏度，以實現亞皮特斯拉范圍內的測量。”此外，集成量子磁強計具備可選的水冷功能，即使在嚴苛的操作條件下也能穩定可靠地測量磁場，其設計和集成的靈活性使其脫穎而出。

        在傳感器核心部件——氮空位（NV）摻雜的金剛石傳感頭方面，弗勞恩霍夫 IAF 也在不斷增強。這種合成金剛石在研究所的專用反應堆中生長，通過精確用氮原子取代碳原子轉化為量子器件。目前，研究所計劃明年將目前的兩英寸超純金剛石晶片擴展到四英寸晶片，以實現工業規模生產。弗勞恩霍夫 IAF 項目經理 Michael Kunzer 博士表示：“我們采用面向應用的方法來持續開發我們的傳感器系統，并滿足對我們系統提出的個性化要求。”

        無GPS導航：突破信號限制

        當今的導航系統雖精度高、覆蓋范圍廣，但易受干擾且并非在所有地方都可用。因此，獨立于全球導航衛星系統（GNSS）運行的替代導航方法愈發重要。地球磁場因具有區域差異，可作為自主導航的隱形地圖，尤其在 GPS 信號中斷或難以接收的地區。

        弗勞恩霍夫 IAF 開發的量子傳感器能夠創建全面的磁場地圖，為可靠導航提供基礎。矢量磁力儀提供了一種自主、無干擾的全球定位和導航方法，可補充衛星導航，無需衛星信號即可在水下、峽谷、地下、建筑物內或隧道內工作。

        對于在礦道深處作業的礦工、幽暗隧道里的工程人員以及水下執行特殊任務的潛水員來說，長期以來受全球衛星定位系統信號薄弱或缺失的困擾。這項技術讓他們有望擺脫對外置衛星的依賴，擁抱更可靠安全的導航手段。同時，該技術還可應用于探尋地下礦藏、搜尋埋藏彈藥，為資源開發與排除險情提供有力支持。

        快速、非接觸式地質測量：守護安全與資源

        利用與導航相同的原理，通過地殼的成分及其磁場可推斷地質構造，探測磁異常（如礦床）或金屬物體（如未爆炸彈藥）。弗勞恩霍夫應用物理研究所（IAF）開發的量子磁力儀能夠精確、非接觸式地定位地下礦藏，獲取寶貴資源，還能探測大面積未爆炸彈藥，顯著降低受影響地區居民的風險。

        收集到的數據可轉換成磁力圖，顯示可疑物體的位置，并提供有關其深度、形狀和大小的信息。這種方法能對受影響區域進行全面、非侵入性的探測，甚至可定位深藏的物體。

        未來展望

        這項技術未來發展仍面臨諸多挑戰。如何將傳感器探測靈敏度推向新高度、進一步實現小型化和高度集成、切實降低生產成本以實現廣泛應用，都是亟待解決的關鍵問題。

        從替代GPS導航到探測地下資源，再到守護生命安全，這顆基于量子技術的“金剛石之心”正悄然重塑多個領域。隨著體積不斷縮小、精度持續提升，這種融合尖端材料與量子物理的傳感器，正在為人類打開一扇感知世界的新窗口。