金刚石中的氮-空位（NV）色心在室温下具有优异的自旋相干性，被视为量子磁力仪的主要候选材料，在纳米尺度现象和高灵敏磁场检测方面具有巨大的潜力。然而，要想实现同时具有高空间分辨率和高磁场灵敏度的固态磁力仪仍面临挑战。
据麦姆斯咨询报道，近日，日本丰桥技术科学大学（Toyohashi University of Technology）、东京大学（the University of Tokyo）和美国哥伦比亚大学（Columbia University）的研究人员组成的团队利用片上金刚石微环谐振器展示了一种具有高磁场灵敏度的纳米尺度量子传感器（图1）。微环谐振器通过将光子限制在纳米尺度区域内，提高了光子的利用效率，从而在光子芯片上达到了1.0 μT/√Hz的磁场灵敏度。该研究还证实，这种片上方法通过与光子波导耦合可实现高效光提取，进一步提升了检测灵敏度。该研究工作为用于基础科学、化学和医学等领域中检测各种纳米尺度物理量的芯片级封装传感器开发提供了一条途径。上述研究成果以“High-sensitivity nanoscale quantum sensors based on a diamond micro-resonator”为题发表于Communications Materials期刊。
图1 基于金刚石微环谐振器的量子传感器
量子传感器制造
图2显示了用于量子传感器的金刚石微环谐振器的制造基本工艺流程。图2a-2c显示了制造金刚石微环结构的工艺流程。制造完成的微环结构的SEM图如图2d所示。接下来，研究人员采用“拾取-翻转-放置转印技术”（Pick-Flip-and-Place transfer printing）将金刚石微环结构集成于光子芯片，如图2e-2g所示。集成在SiO₂衬底上的金刚石NV色心微环谐振器的SEM图如图2h所示。
图2 基于金刚石微环谐振器的量子传感器制造工艺流程
量子传感器表征
研究人员通过进行 µ-PL（显微光致发光）测量对所制造的器件进行了表征。图3a显示了半径为1.3 µm、宽度为440 nm的微环谐振器的典型光致发光（PL）谱。由于该微环结构基于三角形波导，图3a中可观察到横向电场（TE）模式和横向磁场（TM）模式。通过利用洛伦兹函数对光致发光数据进行拟合（图3b），对于半径和宽度分别为1.3（2.3） µm和650（800）nm的微环，其TE模式和TM模式的品质因子（Q-factor）分别确定为1000（2200）和1300（2300）。
研究人员对所制造的器件进行了进一步的详细表征。为此，他们在光子芯片上的微环谐振器附近部署了一个120 µm的微波天线。图3c显示了微环谐振器的光检测磁共振（ODMR）谱。
图3 基于金刚石微环谐振器的量子传感器表征
接下来，研究人员对所制造的器件进行了自旋相干性表征，结果如图4所示。
图4 量子传感器的自旋相干性表征
磁场灵敏度评估
最后，研究人员评估了该量子传感器对磁场的灵敏度。图5a展示了用于评估灵敏度的锁相检测基本原理。微波频率被固定在2.8724 MHz。随后，他们使用位于器件下方的圆形线圈（半径10 mm，匝数6）施加了1 kHz的磁场，并将其连接到玻璃样品支架上。磁场的振荡导致ODMR谱中的信号下降发生波动，该波动通过示波器连接的锁相放大器进行检测。
图5b显示了检测到的锁相电压与外加磁场强度的函数关系。为了估算该器件的最小可检测磁场，研究人员对所获得的数据进行了线性拟合，如图5b所示。图5c是图5b中显示的弱磁场区域的放大视图。利用拟合结果和本底噪声水平，研究人员估算出该器件的最小可检测磁场为1.0 μT/√Hz。
图5 量子传感器的磁场灵敏度评估
用于提高灵敏度的波导耦合结构
研究人员证实，通过引入最先进的波导进行金刚石量子传感，可以进一步提高所开发系统的磁场灵敏度。图6a显示了所研究结构的示意图，其中金刚石微环谐振器被异质集成在低损耗的SiN波导旁，该波导与CMOS兼容，因此可以构建紧凑和功能化的量子传感器件。不同金刚石量子传感器的磁场灵敏度比较如图6c所示。
图6 通过波导耦合进一步提高磁场灵敏度
小结
综上所述，这项研究展示了一种基于金刚石微环谐振器的纳米尺度高灵敏度量子传感器。通过结合金刚石纳米加工技术与“拾取-翻转-放置转印技术”，成功制备了含有大量NV色心的高Q值金刚石微环谐振器。这种基于芯片的方法通过利用尖端集成光子技术的优势有助于实现量子传感器的小型化。通过对芯片上的NV色心进行相干自旋操控，所开发的纳米尺度量子传感器实现了1.0 μT/√Hz的磁场灵敏度，并达到了25%的电子自旋共振对比度。研究人员还通过数值模拟证明，基于微腔的平台与SiN光子技术的结合进一步将磁场灵敏度提升至1.3 nT/√Hz。磁场灵敏度的提高显著减少了数据采集时间，并能够实现对微弱磁场的实时检测和监控。该金刚石量子传感器具备亚nT级灵敏度，可便捷地对要求微米级精度的磁场信息进行成像。总之，本项研究基于光子芯片，为纳米到微米级高灵敏度量子传感铺平了道路，其应用领域涵盖凝聚态物理、化学、神经科学以及生物医学等。
论文链接：
https://doi.org/10.1038/s43246-025-00770-x
