基於主方程模型的鑽石腔氮空位中心紅外磁力測量法：實現亞毫米尺度下亞皮特斯拉靈敏度的途徑

Основные понятия

本研究提出了一種基於主方程模型的紅外磁力測量法，利用鑽石腔中的氮空位中心，通過優化系統參數，有可能在亞毫米尺度下實現亞皮特斯拉級別的磁場靈敏度。

Аннотация

Hadi Zadeh-Haghighi, Omid Golami, Vinaya Kumar Kavatamane, Paul E. Barclay, and Christoph Simon. (2024). Master equation-based model for infrared-based magnetometry with nitrogen-vacancy centers in diamond cavities: a path to sub-picotesla sensitivity at sub-millimeter scales. arXiv:2407.05569v2

本研究旨在探討利用鑽石腔中氮空位中心的紅外吸收特性，提升磁力測量法的空間解析度和靈敏度，並為生物磁場探測提供潛在應用。

Ключевые выводы из

Master equation-based model for infrared-based magnetometry with nitrogen-vacancy centers in diamond cavities: a path to sub-picotesla sensitivity at sub-millimeter scales

by Hadi Zadeh-H... в arxiv.org 11-15-2024

https://arxiv.org/pdf/2407.05569.pdf

Дополнительные вопросы

如何將這種基於鑽石腔的氮空位中心紅外磁力測量法應用於實際的生物醫學成像？

將這種基於鑽石腔的氮空位中心紅外磁力測量法應用於實際的生物醫學成像，需要克服以下幾個挑戰：

微型化和集成化： 為了實現生物醫學成像，需要將整個磁力計系統（包括鑽石腔、光路系統、微波控制系統等）微型化，並集成到一個易於操作的探頭中。這需要微加工技術和光學設計方面的突破。
生物相容性： 用於生物醫學成像的探頭需要具有良好的生物相容性，以確保對生物組織的損傷最小。這可能需要對鑽石表面進行改性，或使用生物相容性材料封裝。
成像速度和分辨率： 為了捕捉到生物體內的動態過程，需要提高成像速度。同時，為了獲得更精確的生物磁場信息，需要進一步提高空間分辨率。這需要優化磁力計的靈敏度和探頭設計。

一旦克服了這些挑戰，基於鑽石腔的氮空位中心紅外磁力測量法將在生物醫學成像領域具有廣闊的應用前景，例如：

腦磁圖（MEG）和心磁圖（MCG）： 與現有的基於超導量子干涉儀（SQUID）的技術相比，這種方法可以在室溫下工作，並且具有更高的空間分辨率，可以更精確地測量大腦和心臟的電活動。
細胞和組織成像： 可以利用這種方法研究細胞和組織中的生物磁場，例如神經元放電、細胞代謝等過程。
藥物和基因傳遞： 可以利用這種方法追踪磁性納米顆粒在生物體內的傳輸和分佈，用於藥物和基因傳遞的監測和評估。

這種方法的靈敏度是否會受到溫度變化的影響？如何減輕這種影響？

是的，這種方法的靈敏度會受到溫度變化的影響。主要原因是：

氮空位中心的能級結構會隨溫度變化： 這會影響到光學躍遷的頻率和效率，進而影響到磁力測量的靈敏度。
鑽石的折射率會隨溫度變化： 這會影響到鑽石腔的光學特性，例如共振頻率和品質因子，進而影響到磁力測量的靈敏度。
為了減輕溫度變化對靈敏度的影響，可以採取以下措施：

溫度穩定系統： 使用高精度的溫度控制系統，將鑽石腔的溫度穩定在一個較小的範圍內。
溫度補償技術： 通過測量溫度變化對磁力計信號的影響，開發相應的算法對溫度漂移進行補償。
材料改性： 研究使用對溫度變化不敏感的新型鑽石材料或腔體材料，以降低溫度對磁力計性能的影響。

如果將氮空位中心替換成其他量子缺陷，是否可以進一步提高磁力測量法的性能？

是的，將氮空位中心替換成其他量子缺陷有可能進一步提高磁力測量法的性能。一些具有潛力的替代量子缺陷包括：

矽空位中心 (SiV) ： SiV 中心具有比 NV 中心更窄的光學躍遷線寬，這意味著它們對磁場變化更敏感，可以實現更高的靈敏度。
鍺空位中心 (GeV) ： GeV 中心在電信波段具有光學躍遷，這使得它們更適合與現有的光纖通信技術集成。
稀土離子： 某些稀土離子，例如鉺離子 (Er) 和鐿離子 (Yb)，在固態材料中具有較長的相干時間，這使得它們成為構建高靈敏度磁力計的理想候選者。
然而，使用其他量子缺陷也面臨著一些挑戰：

制備工艺： 一些量子缺陷的制備工艺比 NV 中心更复杂，难以实现大规模生产。
相干特性： 一些量子缺陷的相干时间比 NV 中心短，这限制了它們在高靈敏度磁力測量中的应用。
总而言之，探索新型量子缺陷并开发相应的磁力測量技术，是进一步提高磁力測量性能的重要方向。