在上一篇文章中，我們介紹了“量子精密測(cè)量”這一前沿技術(shù)：它能夠通過操控微觀粒子的量子態(tài)，對(duì)時(shí)間、磁場(chǎng)、電流等物理量進(jìn)行超高精度的測(cè)量。簡(jiǎn)單來說就是：準(zhǔn)備好量子材料，觀察它在外界物理量作用下發(fā)生的狀態(tài)變化，然后再讀出這些變化，就可以計(jì)算出外界物理量的大小。

但說起來容易，真正做起來可沒那么簡(jiǎn)單。要實(shí)現(xiàn)量子精密測(cè)量，我們需要一套“量子工具箱”，其中包含了能夠形成穩(wěn)定量子態(tài)的“量子材料包”、能夠精準(zhǔn)調(diào)控量子態(tài)的“量子操縱桿”以及高精度讀取量子態(tài)的“量子顯示器”。

在“量子材料包”中，有一位特別亮眼的“明星成員”——金剛石NV色心。NV色心藏在金剛石晶體內(nèi)部，是一種具有特定結(jié)構(gòu)的微小缺陷，卻恰好具備了量子測(cè)量所需的一切條件：穩(wěn)定的量子態(tài)、可控的電子自旋、對(duì)磁場(chǎng)和溫度極其敏感，還能用光學(xué)、微波等手段進(jìn)行讀寫，因而在量子計(jì)算和量子精密測(cè)量領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用前景。

金剛石NV色心是什么？

金剛石在正常情況下是一種無色透明的晶體，由于它的折射率很高，因此切割出不同的斜面之后，會(huì)讓光線強(qiáng)烈折射，呈現(xiàn)出漂亮的火彩。因而內(nèi)部純凈的金剛石會(huì)被用作寶石，其商業(yè)名稱就是我們熟知的“鉆石”。

內(nèi)部純凈的金剛石被用作珠寶

（圖片來源：Wikipedia）

但在實(shí)際情況中，金剛石內(nèi)部常常含有微量雜質(zhì)或晶格缺陷，這些不完美的結(jié)構(gòu)會(huì)改變其光學(xué)性質(zhì)，使晶體呈現(xiàn)出不同的顏色。這類能吸收或發(fā)射特定波長(zhǎng)光的缺陷，稱為色心（color center）。

色心可以是單個(gè)雜質(zhì)原子、多個(gè)雜質(zhì)組合，或是原子缺失等缺陷類型。理想情況下，晶體內(nèi)部的結(jié)構(gòu)應(yīng)該是周期性重復(fù)的，但是色心的存在打破了晶體的這種周期性，使某些位置具有不同的電子結(jié)構(gòu)。這些電子結(jié)構(gòu)對(duì)外界光照、磁場(chǎng)、電場(chǎng)等物理量具有特殊的響應(yīng)能力。因此，色心不僅可以改變晶體的顏色，還可以為晶體賦予獨(dú)特的光電特性。

不同的色心會(huì)讓鉆石呈現(xiàn)不同的顏色，比如天然金剛石中通常含有N3色心，N3色心對(duì)黃綠光的吸收較強(qiáng)，對(duì)藍(lán)紫光的吸收較弱，因此天然鉆石會(huì)顯得偏藍(lán)；還有H3、H4色心，可能讓鉆石看起來偏綠；最特別的是NV色心，它不僅能讓鉆石偏紅，還能感應(yīng)磁場(chǎng)、溫度等外界信息。

金剛石中常見色心及示意圖

（圖片來源：作者）

NV色心的名字來自它的兩個(gè)組成部分：N代表氮原子（Nitrogen），V代表“空位”（Vacancy）。我們知道，金剛石單晶是由碳原子緊密排列組成的，但在某些位置，氮原子會(huì)替代一個(gè)碳原子，如果這個(gè)氮原子的旁邊剛好缺了一個(gè)碳原子，也就是空了一個(gè)位置，那么這種“氮原子+空位”的組合，就是所謂的NV色心。

金剛石NV色心結(jié)構(gòu)示意圖

（圖片來源：作者）

NV色心為什么能用于量子精密測(cè)量？

雖然它是一個(gè)微小的結(jié)構(gòu)缺陷，但它對(duì)科學(xué)家來說非常重要。原因有二，第一，NV色心是一種常溫的量子體系，在室溫下就能工作，不需要極冷的外部環(huán)境。第二，它易于控制和讀取，它內(nèi)部的電子狀態(tài)可以被激光和微波控制并讀取。

NV色心有兩種帶電狀態(tài)：一種為中性狀態(tài)，一種為帶負(fù)電狀態(tài)。這兩種狀態(tài)在鉆石中是同時(shí)存在的，且在特定條件下可實(shí)現(xiàn)相互轉(zhuǎn)化。但帶負(fù)電時(shí)，電子自旋更容易被操控和檢測(cè)，因此在科學(xué)研究中，大家說到NV色心，一般都是指帶負(fù)電狀態(tài)的NV。

NV色心之所以能測(cè)量磁場(chǎng)、電流、溫度這些物理量，靠的是電子的“內(nèi)在屬性”——“自旋”。?自旋態(tài)不同的電子，在磁場(chǎng)中攜帶的能量可能不同，即處在不同的能級(jí)。電子的自旋并不意味著電子在繞軸“旋轉(zhuǎn)”，自旋這種性質(zhì)是量子世界中特有的，無法與宏觀物體的“自轉(zhuǎn)”完全對(duì)照。

電子自旋的概念圖

（圖片來源：作者）

對(duì)于NV色心來說，它的電子有三種自旋態(tài)或量子態(tài)，可以用符號(hào)表示為|0?態(tài)、|+1?態(tài)和|-1?態(tài)。我們可以將其簡(jiǎn)單理解為這是電子的三種“姿態(tài)”，對(duì)應(yīng)三個(gè)能級(jí)。在沒有外磁場(chǎng)及其他干擾因素時(shí)，電子可能處于三種自旋態(tài)中的任意一種，且分布是完全隨機(jī)的。

我們可以用一束特定波長(zhǎng)的綠色激光，將NV色心里的電子都“初始化”為|0?態(tài)。然后，施加微波與電子相互作用，如果微波攜帶的能量剛好對(duì)應(yīng)于|0?態(tài)與|±1?態(tài)的能量差，那么電子就會(huì)躍遷到對(duì)應(yīng)的能級(jí)，自旋態(tài)也會(huì)轉(zhuǎn)換為|±1?態(tài)。反之，電子依然會(huì)停留在|0?態(tài)。其中，|0?態(tài)電子受到綠色激光照射后發(fā)出的紅色熒光較強(qiáng)，而|±1?態(tài)發(fā)出的紅色熒光較弱，通過觀測(cè)熒光強(qiáng)度變化，就可以判斷出電子所處的自旋態(tài)。

沒有外磁場(chǎng)時(shí)，|+1?態(tài)和|-1?態(tài)所攜帶的能量相同，對(duì)應(yīng)于同一個(gè)微波頻率。而外加磁場(chǎng)會(huì)改變|+1?態(tài)和|-1?態(tài)所在的能級(jí)，分別對(duì)應(yīng)于一個(gè)微波頻率。如果頻率對(duì)不上，哪怕頻率高于所需頻率，電子依然會(huì)停留在|0?態(tài)，會(huì)發(fā)出比較強(qiáng)的紅色熒光；如果頻率相匹配，部分電子會(huì)躍遷至|+1?態(tài)或|-1?態(tài)，發(fā)出的熒光就會(huì)變暗。

金剛石NV色心電子自旋態(tài)與熒光強(qiáng)度的關(guān)系

（圖片來源：作者）

通過“熒光強(qiáng)度是否變化”，就可以判斷量子態(tài)是否發(fā)生變化，進(jìn)而得到|+1?態(tài)或|-1?態(tài)所對(duì)應(yīng)的微波頻率，兩個(gè)微波頻率的差便可用來計(jì)算外加磁場(chǎng)的大小。

如何利用NV色心進(jìn)行量子精密測(cè)量？

那么NV色心的具體測(cè)量過程是怎樣的呢？科學(xué)家通常會(huì)分成七個(gè)步驟來完成。

1.初始化

先用一束綠色激光照射NV色心。這個(gè)過程會(huì)把電子“初始化”到一個(gè)已知的狀態(tài)，通常是|0?態(tài)。

2.狀態(tài)制備

施加一個(gè)特定頻率的微波信號(hào)，如果頻率合適，就會(huì)讓電子從|0?躍遷到|+1?態(tài)或|-1?態(tài)。

3.狀態(tài)演化

接下來讓外部磁場(chǎng)作用于NV色心，磁場(chǎng)會(huì)改變電子自旋態(tài)之間的能量差，使|+1?態(tài)和|-1?態(tài)的兩個(gè)能級(jí)相互分離。

4.狀態(tài)轉(zhuǎn)化

再用不同的頻率微波連續(xù)掃描，當(dāng)頻率剛好和能量差匹配時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)共振。電子會(huì)從|0?態(tài)躍遷到|+1?態(tài)或|-1?態(tài)，此時(shí)金剛石發(fā)出的熒光會(huì)變暗。

5.狀態(tài)讀取

利用光電探測(cè)器來記錄金剛石發(fā)出的紅色熒光強(qiáng)度。共振時(shí)熒光變暗，不共振時(shí)熒光較亮。熒光的亮度告訴我們：微波在哪個(gè)頻率引起了電子的共振。

6.重復(fù)測(cè)量

為了保證準(zhǔn)確性，會(huì)對(duì)同一個(gè)磁場(chǎng)進(jìn)行多次測(cè)量，或者用多個(gè)NV色心同時(shí)測(cè)量后取平均值。

7.提取磁場(chǎng)數(shù)值

最后，根據(jù)共振發(fā)生時(shí)的頻率差，就能反推出外界磁場(chǎng)強(qiáng)度等于頻率差的一半除以NV色心的電子旋磁比，其中電子旋磁比是一個(gè)物理常數(shù)。

量子精密測(cè)量基本步驟示意圖

（圖片來源：作者）

這個(gè)測(cè)量方法有一個(gè)專業(yè)名字，叫做CW-ODMR，意思是“連續(xù)波—光探測(cè)磁共振”。別被它復(fù)雜的名字嚇到，它的核心思想很簡(jiǎn)單：

連續(xù)波：施加頻率連續(xù)的微波；

光探測(cè)：用光來看電子的自旋態(tài)有沒有發(fā)生變化；

磁共振：找到哪個(gè)頻率會(huì)引起躍遷，從而計(jì)算外界磁場(chǎng)大小。

我們可以把測(cè)量結(jié)果畫成一張圖，橫軸是微波頻率，縱軸是紅色熒光的強(qiáng)度。某些頻率下光變暗了，就表示發(fā)生了共振。這張圖叫做CW譜。它就像一張“電子響應(yīng)曲線”，通過分析它，科學(xué)家就能把“光的變化”轉(zhuǎn)化為“磁場(chǎng)的大小”。

連續(xù)波-光探測(cè)磁共振法示意圖

（圖片來源：作者）

磁場(chǎng)不僅有大小，而且有方向。NV色心不僅能夠測(cè)量磁場(chǎng)大小，而且還能測(cè)量出磁場(chǎng)的方向。這是因?yàn)樵阢@石的內(nèi)部，碳原子的排列非常規(guī)則，會(huì)形成一個(gè)個(gè)正四面體。以空位，NV色心可以并不是都朝著一個(gè)方向，而是可能出現(xiàn)在四個(gè)不同的方向上。

簡(jiǎn)單理解就是：有些NV色心可能朝著“上右前”方向，有些可能朝著“下左后”方向，或者四個(gè)方向互相之間夾角相等。這就好像有四組小小的“天線”，分別對(duì)著四個(gè)不同方向。每一個(gè)方向上的NV色心只能感知它朝向方向上的磁場(chǎng)變化。

由于在一個(gè)NV色心中，磁場(chǎng)會(huì)讓共振峰從一個(gè)分裂成兩個(gè)。因此樣品中四個(gè)方向的NV色心在測(cè)量結(jié)果的圖像上，會(huì)表現(xiàn)為八個(gè)共振峰，科學(xué)家通過分析這四組峰的位置，就能解出整個(gè)磁場(chǎng)在三維空間中的“東南西北+上下前后”分量。這種三維測(cè)量能力，讓NV色心不僅能告訴我們“磁場(chǎng)有多強(qiáng)”，還能告訴我們“磁場(chǎng)從哪里來、往哪里去”，這在材料研究、生物磁成像甚至地球物理探測(cè)中都有重要應(yīng)用。

金剛石NV色心實(shí)現(xiàn)矢量磁場(chǎng)測(cè)量

（圖片來源：作者）

能測(cè)磁，但不限于測(cè)磁

除了磁場(chǎng)，NV色心還能測(cè)溫度。這聽起來可能有點(diǎn)意外——一個(gè)原本只是鉆石中微小缺陷的結(jié)構(gòu)，竟然還能同時(shí)感應(yīng)兩種物理量。

那么它是怎么做到的呢？

前面我們說過，外部磁場(chǎng)會(huì)讓NV色心中電子的能級(jí)“分裂”，在CW譜中出現(xiàn)兩個(gè)共振峰，可以用共振峰之間的距離來計(jì)算磁場(chǎng)的大小。而溫度的變化，會(huì)讓CW譜的共振峰平移，可以用平移的距離來計(jì)算溫度的大小。這兩個(gè)變化互不干擾，因此NV色心可以同時(shí)測(cè)出磁場(chǎng)和溫度。另外，NV色心也可用于微波功率、應(yīng)力等物理量的測(cè)量。

NV色心只需要一套操控和讀取系統(tǒng)，就能在一個(gè)位置同時(shí)準(zhǔn)確感知多個(gè)物理量，這大大提升了測(cè)量的效率和可靠性。

金剛石NV色心對(duì)溫度、磁場(chǎng)和微波功率的響應(yīng)

（圖片來源：作者）

在實(shí)際應(yīng)用中，NV色心主要有兩種分布方式：?jiǎn)蝹€(gè)色心，或由多個(gè)色心組成的系綜（是指由大量相同量子系統(tǒng)組成的集合體）。單色心具有更高的空間分辨率，適合做納米級(jí)別的精密測(cè)量，比如探測(cè)材料內(nèi)部微小的磁場(chǎng)變化或測(cè)量細(xì)胞內(nèi)部的溫度。但由于信號(hào)弱，對(duì)實(shí)驗(yàn)設(shè)備要求高，主要用于科研領(lǐng)域。

而NV色心系綜由大量結(jié)構(gòu)相同的色心組成，整體熒光信號(hào)強(qiáng)、抗干擾能力好，適合在復(fù)雜環(huán)境中穩(wěn)定工作。它廣泛應(yīng)用于工業(yè)檢測(cè)場(chǎng)景，比如電力系統(tǒng)中的電流監(jiān)測(cè)。

實(shí)際上，從基礎(chǔ)研究用的NV色心材料，到產(chǎn)業(yè)應(yīng)用的量子電流互感器，我國(guó)的科學(xué)家們已經(jīng)將這條技術(shù)轉(zhuǎn)化路徑變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。在下篇文章中，讓我們繼續(xù)了解基于NV色心系綜開發(fā)的實(shí)用型工業(yè)設(shè)備，見證量子技術(shù)落地的最新案例。