【儀表網 研發快訊】高靈敏度磁傳感技術在基礎物理、生物醫學、地球科學及工業檢測等領域具有廣泛應用。在探測微弱的靜態或準靜態磁場信號(如集成電路中的微安級漏電流檢測、心磁圖探測等)時，傳感器不僅需要極高的靈敏度，還必須具備優異的1/f噪聲性能。雖然近年來金剛石磁強計的靈敏度不斷提升，但在不依賴磁通集中器(MFC)的情況下，實現在低頻段(1-100 Hz)同時兼顧高靈敏度與低噪聲抑制仍然存在具有較大困難。
最新研究成果
近日，上海微系統所傳感器技術全國重點實驗室在金剛石量子傳感領域取得重要進展。具有氮空位(NV)色心的金剛石作為一種高性能量子傳感材料，在極弱磁場探測領域展現出巨大潛力。然而，如何進一步提升其在低頻段的磁靈敏度并抑制1/f噪聲，仍是制約其走向實際應用的關鍵挑戰。研究團隊通過激光波長優化的高效激發方案，結合諧振天線設計與π相位雙共振抑制技術，在35 mW激光功率與1 mW微波功率的低功耗條件下成功實現了亞10 pT級的高靈敏度金剛石量子磁強計。
相關研究成果以“A Sub-10 pT·Hz-1/2 Diamond Quantum Sensor with 1/f Noise Suppression Using 561 nm Laser Excitation”為題發表于國際光學領域知名期刊ACS Photonics 。論文第一作者為博士研究生彭霄，通訊作者為武震宇研究員和陳浩研究員。該研究工作得到了國家重點研發計劃、上海市戰略前沿專項等支持。
研究亮點
在這項工作中，課題組針對上述瓶頸，從激發光優化與系統噪聲抑制兩個維度出發，采用了創新的技術方案：
激光波長優化的高效激發：由于NV0與NV-在不同激發波長下存在不同的吸收效率，實驗搭建了基于561 nm激光激發的量子傳感系統。研究發現，相比于傳統的532 nm激光，采用561 nm激光(黃綠光)激發能夠顯著提高NV-/NV0的激發比例(1.4倍提升)。通過降低NV-的光電離效應，有效提升了光探測磁共振(ODMR)的熒光對比度，從而在低激光功率(35 mW)下實現了更高的探測效率。
π相位雙共振驅動技術： 針對低頻段常見的1/f噪聲干擾，利用具備π相位的雙共振技術實現了實時共模抑制。該技術有效抵消了溫度變化帶來的共振點漂移。相比于傳統單點頻率鎖定方案，該技術將1/f轉折頻率成功推低至1 Hz，對應靈敏度為10.6 pT·Hz-1/2，長時間測量中磁場漂移僅為3 nT，極大提升了近直流頻段的測量穩定性。
同時在1至1000 Hz范圍內實現了7.9 pT·Hz-1/2的優異靈敏度，為連續波光探測磁共振模式下的最優靈敏度之一，盡管一些先進的脈沖式或微波讀出方案在較高頻率下可實現更優的靈敏度指標，但本工作在抑制1/f噪聲與近直流靈敏度方面具備顯著優勢，有利于低頻/靜磁場的高靈敏探測應用。
總結與展望
本研究通過協同優化光學激發路徑與系統噪聲抑制等手段，大幅提升了金剛石量子傳感器在低頻環境中的測試能力，實現了亞10 pT級的靈敏度突破。該技術方案在生物醫療成像、地球物理勘探以及精密工業監測等實際場景中展現出巨大的應用前景。未來將繼續致力于傳感系統的進一步微型化與集成化，推動量子精密測量技術由實驗室走向復雜工業場景的實用化。
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