超靈敏磁強計實現64%的信號功率增加 高密度NV中心的金剛石顯著提高測量精度
【化工儀器網 項目成果】磁強計是一種用來測量磁感應強度的傳感器，用于測定地磁場的大小與方向，即測定航天器所在處地磁場強度矢量在本體系中的分量，其在工業、農業、交通運輸、國防、航空航天、海洋、氣象、醫療衛生等領域均有廣泛應用。
在地質勘探領域，磁強計能夠用于地磁場變化監測和地質年代檢測；在醫療衛生領域，磁強計常被用來檢測人體磁場并輔助疾病診斷；在國防上，磁強計可以應用在磁性掃雷、炸彈探測、磁波通訊、磁探針和磁導航；在外層空間探測中，磁強計被用來進行天體運行、演變的磁場檢測。磁強計還能夠在衛星姿態測控中測量空間磁場來提供衛星姿態信息。
金剛石中的氮—空位(NV)中心是由一個氮原子和一個碳空位組成的原子系統。由于這些原子級NV中心的光度取決于外部磁場的強度，因此它們可用于高空間分辨率的微磁場測量。并且由于材料特性，具有高密度NV中心的金剛石在用作激光介質時可顯著提高測量精度。
NV中心已被用于量子磁傳感，但信號一直是自發發射而不是受激發射或激光輸出。近日，德國弗勞恩霍夫應用固體物理研究所的研究人員成功制造出具有高密度NV中心的金剛石，進而研發高精細的NV激光腔，首次通過實驗驗證了激光閾值磁強計的理論原理。
研究團隊通過化學氣相沉積(CVD)工藝在金剛石生長中實現了高水平的氮摻雜，并使用電子束和熱處理，在后處理中使NV密度增加了20—70倍。在表征過程中，他們優化了3個關鍵因素：高NV密度、通過高通量輻照實現取代氮的高轉化率和高電荷穩定性，從而成功生產出具有高密度NV中心的高質量CVD金剛石。
研究人員不僅通過受激發射實現了64%的信號功率增加，還創造了一項紀錄：與磁場相關的發射顯示出33%的對比度和毫瓦(mW)范圍內的最大輸出功率。該研究將為進一步開發用于室溫和現有背景場下的高靈敏度磁場傳感器鋪平道路。相關成果發表在近日的《科學進展》雜志上。
(資料來源：科技日報)
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