钻石里的量子秘籍：这颗 “原子级眼睛” 如何刷新测量极限？_风闻

量子精密测量是今天标定国际单位的核心，那么它是如何实现的，用到了哪种材料？本文聚焦金刚石 NV 色心这一量子材料明星——尽管它是“钻石”内部的缺陷，但因具备常温稳定的量子态、易操控等特性，成为量子精密测量利器。

撰文 | 梁坤（中国科学技术大学）

在上一篇文章《量子精密测量如何重新定义世界？》中，我们介绍了“量子精密测量”这一前沿技术：它能够通过操控微观粒子的量子态，对时间、磁场、电流等物理量进行超高精度的测量。简单来说就是：准备好量子材料，观察它在外界物理量作用下发生的状态变化，然后再读出这些变化，就可以计算出外界物理量的大小。

但说起来容易，真正做起来可没那么简单。要实现量子精密测量，我们需要一套“量子工具箱”，其中包含了能够形成稳定量子态的“量子材料包”、能够精准调控量子态的“量子操纵杆”以及高精度读取量子态的“量子显示器”。

在“量子材料包”中，有一位特别亮眼的“明星成员”——金刚石NV色心（Nitrogen-Vacancy center）。NV色心藏在金刚石晶体内部，是一种具有特定结构的微小缺陷，却恰好具备了量子测量所需的一切条件：稳定的量子态、可控的电子自旋、对磁场和温度极其敏感，还能用光学、微波等手段进行读写，因而在量子计算和量子精密测量领域展现出巨大的应用前景。

金刚石NV色心是什么？

金刚石在正常情况下是一种无色透明的晶体，由于它的折射率很高，因此切割出不同的斜面之后，会让光线强烈折射，呈现出漂亮的火彩。因而内部纯净的金刚石会被用作宝石，其商业名称就是我们熟知的“钻石”。

内部纯净的金刚石被用作珠宝丨图片来源：Wikipedia

但在实际情况中，金刚石内部常常含有微量杂质或晶格缺陷，这些不完美的结构会改变其光学性质，使晶体呈现出不同的颜色。这类能吸收或发射特定波长光的缺陷，称为色心（colorcenter）。

色心可以是单个杂质原子、多个杂质组合，或是原子缺失等缺陷类型。理想情况下，晶体内部的结构应该是周期性重复的，但是色心的存在打破了晶体的这种周期性，使某些位置具有不同的电子结构。这些电子结构对外界光照、磁场、电场等物理量具有特殊的响应能力。因此，色心不仅可以改变晶体的颜色，还可以为晶体赋予独特的光电特性。

不同的色心会让钻石呈现不同的颜色，比如天然金刚石中通常含有N3色心，N3色心对黄绿光的吸收较强，对蓝紫光的吸收较弱，因此天然钻石会显得偏蓝；还有H3、H4色心，可能让钻石看起来偏绿；最特别的是NV色心，它不仅能让钻石偏红，还能感应磁场、温度等外界信息。

金刚石中常见色心及示意图丨图片来源：作者

NV色心的名字来自它的两个组成部分：N代表氮原子（Nitrogen），V代表“空位”（Vacancy）。金刚石单晶是由碳原子紧密排列组成的，如果在某些位置，氮原子替代一个碳原子，并且这个氮原子的旁边刚好缺了一个碳原子，也就是空了一个位置，那么这种“氮原子+空位”的组合，就是所谓的NV色心。

金刚石NV色心结构示意图丨图片来源：作者

NV色心为什么能用于量子精密测量？

虽然它是一个微小的结构缺陷，但它对科学家来说非常重要。原因有二：第一，NV色心是一种常温的量子体系，在室温下就能工作，不需要极冷的外部环境；第二，它易于控制和读取，它内部的电子状态可以被激光和微波控制并读取。

NV色心有两种带电状态：一种为中性状态，一种为带负电状态。这两种状态在钻石中是同时存在的，且在特定条件下可实现相互转化。但带负电时，电子自旋更容易被操控和检测，因此在科学研究中，大家说到NV色心，一般都是指带负电状态的NV。

NV色心之所以能测量磁场、电流、温度这些物理量，靠的是电子的“内在属性”——“自旋”。自旋态不同的电子，在磁场中携带的能量可能不同，即处在不同的能级。电子的自旋并不意味着电子在绕轴“旋转”，自旋这种性质是量子世界中特有的，无法与宏观物体的“自转”完全对照。

电子自旋的概念图丨图片来源：作者

对于NV色心来说，它的电子有三种自旋态或量子态，可以用符号表示为|0⟩态、|+1⟩态和|-1⟩态。我们可以将其简单理解为这是电子的三种“姿态”，对应三个能级。在没有外磁场及其他干扰因素时，电子可能处于三种自旋态中的任意一种，且分布是完全随机的。

我们可以用一束特定波长的绿色激光，将NV色心里的电子都“初始化”为|0⟩态。然后，施加微波与电子相互作用，如果微波携带的能量刚好对应于|0⟩态与|±1⟩态的能量差，那么电子就会跃迁到对应的能级，自旋态也会转换为|±1⟩态。反之，电子依然会停留在|0⟩态。其中，|0⟩态电子受到绿色激光照射后发出的红色荧光较强，而|±1⟩态发出的红色荧光较弱，通过观测荧光强度变化，就可以判断出电子所处的自旋态。

没有外磁场时，|+1⟩态和|-1⟩态所携带的能量相同，对应于同一个微波频率。而外加磁场会改变|+1⟩态和|-1⟩态所在的能级，分别对应于一个微波频率。如果频率对不上，哪怕频率高于所需频率，电子依然会停留在|0⟩态，会发出比较强的红色荧光；如果频率相匹配，部分电子会跃迁至|+1⟩态或|-1⟩态，发出的荧光就会变暗。

金刚石NV色心电子自旋态与荧光强度的关系丨图片来源：作者

通过“荧光强度是否变化”，就可以判断量子态是否发生变化，进而得到|+1⟩态或|-1⟩态所对应的微波频率，两个微波频率的差便可用来计算外加磁场的大小。

如何利用NV色心进行量子精密测量？

那么NV色心的具体测量过程是怎样的呢？科学家通常会分成七个步骤来完成。

1.初始化

先用一束绿色激光照射NV色心。这个过程会把电子“初始化”到一个已知的状态，通常是|0⟩态。

2.状态制备

施加一个特定频率的微波信号，如果频率合适，就会让电子从|0⟩跃迁到|+1⟩态或|-1⟩态。

3.状态演化

接下来让外部磁场作用于NV色心，磁场会改变电子自旋态之间的能量差，使|+1⟩态和|-1⟩态的两个能级相互分离。

4.状态转化

再用不同的频率微波连续扫描，当频率刚好和能量差匹配时，就会出现共振。电子会从|0⟩态跃迁到|+1⟩态或|-1⟩态，此时金刚石发出的荧光会变暗。

5.状态读取

利用光电探测器来记录金刚石发出的红色荧光强度。共振时荧光变暗，不共振时荧光较亮。荧光的亮度告诉我们：微波在哪个频率引起了电子的共振。

6.重复测量

为了保证准确性，会对同一个磁场进行多次测量，或者用多个NV色心同时测量后取平均值。

7.提取磁场数值

最后，根据共振发生时的频率差，就能反推出外界磁场强度等于频率差的一半除以NV色心的电子旋磁比，其中电子旋磁比是一个物理常数。

量子精密测量基本步骤示意图丨图片来源：作者

这个测量方法有一个专业名字，叫做CW-ODMR，意思是“连续波—光探测磁共振”。别被它复杂的名字吓到，它的核心思想很简单：

连续波：施加频率连续的微波；

光探测：用光来看电子的自旋态有没有发生变化；

磁共振：找到哪个频率会引起跃迁，从而计算外界磁场大小。

我们可以把测量结果画成一张图，横轴是微波频率，纵轴是红色荧光的强度。某些频率下光变暗了，就表示发生了共振。这张图叫做CW谱。它就像一张“电子响应曲线”，通过分析它，科学家就能把“光的变化”转化为“磁场的大小”。

连续波-光探测磁共振法示意图丨图片来源：作者

磁场不仅有大小，而且有方向。NV色心不仅能够测量磁场大小，而且还能测量出磁场的方向。这是因为在钻石的内部，碳原子的排列非常规则，会形成一个个正四面体。以空位，NV色心可以并不是都朝着一个方向，而是可能出现在四个不同的方向上。

简单理解就是：有些NV色心可能朝着“上右前”方向，有些可能朝着“下左后”方向，或者四个方向互相之间夹角相等。这就好像有四组小小的“天线”，分别对着四个不同方向。每一个方向上的NV色心只能感知它朝向方向上的磁场变化。

由于在一个NV色心中，磁场会让共振峰从一个分裂成两个。因此样品中四个方向的NV色心在测量结果的图像上，会表现为八个共振峰，科学家通过分析这四组峰的位置，就能解出整个磁场在三维空间中的“东南西北+上下前后”分量。这种三维测量能力，让NV色心不仅能告诉我们“磁场有多强”，还能告诉我们“磁场从哪里来、往哪里去”，这在材料研究、生物磁成像甚至地球物理探测中都有重要应用。

金刚石NV色心实现矢量磁场测量丨图片来源：作者

能测磁，但不限于测磁

除了磁场，NV色心还能测温度。这听起来可能有点意外——一个原本只是钻石中微小缺陷的结构，竟然还能同时感应两种物理量。

那么它是怎么做到的呢？

前面我们说过，外部磁场会让NV色心中电子的能级“分裂”，在CW谱中出现两个共振峰，可以用共振峰之间的距离来计算磁场的大小。而温度的变化，会让CW谱的共振峰平移，可以用平移的距离来计算温度的大小。这两个变化互不干扰，因此NV色心可以同时测出磁场和温度。另外，NV色心也可用于微波功率、应力等物理量的测量。

NV色心只需要一套操控和读取系统，就能在一个位置同时准确感知多个物理量，这大大提升了测量的效率和可靠性。

金刚石NV色心对温度、磁场和微波功率的响应丨图片来源：作者

在实际应用中，NV色心主要有两种分布方式：单个色心，或由多个色心组成的系综（是指由大量相同量子系统组成的集合体）。单色心具有更高的空间分辨率，适合做纳米级别的精密测量，比如探测材料内部微小的磁场变化或测量细胞内部的温度。但由于信号弱，对实验设备要求高，主要用于科研领域。

而NV色心系综由大量结构相同的色心组成，整体荧光信号强、抗干扰能力好，适合在复杂环境中稳定工作。它广泛应用于工业检测场景，比如电力系统中的电流监测。

实际上，从基础研究用的NV色心材料，到产业应用的量子电流互感器，我国的科学家们已经将这条技术转化路径变为现实。在下篇文章中，让我们继续了解基于NV色心系综开发的实用型工业设备，见证量子技术落地的最新案例。

出品：科普中国

监制：中国科普博览

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