近日，来自华中科技大学HUST-UULM中德量子传感与量子测量国际联合实验室（IQSQM）的科研团队在《物理评论应用》杂志上发表了题为“Hybrid diamond quantum sensor with submicrokelvin resolution under ambient conditions"的研究论文 [1]。该研究报道了一种新型的复合量子温度传感器,将金刚石氮-空位色心(NV中心)与钆磁通集中器相结合，在室温条件下实现了251.5 nK/√Hz的温度灵敏度，达到了十万分之一开尔文的温度分辨率。这是目前报道的基于金刚石NV中心的量子温度计最高灵敏度。
图1.不同温度下金刚石氮-空位中心自旋共振频率对温度的响应系数
研究团队巧妙利用了钆的磁化率在居里温度附近急剧变化的临界特性及磁通集中器对磁场的放大效应，大幅提升了NV中心自旋对温度的响应。在临界点附近，NV中心自旋共振频率对温度的响应系数达到了57.3 MHz/K，相较于直接耦合情况（74 kHz/K）提高了774倍。同时, 磁通集中器使NV中心轴向的磁场信号放大了约14.84倍。这种独特的复合量子传感方案将NV中心优异的相干特性与钆的临界磁性结合，初步展示了复合量子精密测量物理体系用于实现多模态高灵敏量子精密测量的巨大潜力。这种亚微开尔文分辨率的量子温度计有望在众多领域都有广泛应用前景,如温度基准点校准、激光频率稳定、航天高稳定性温控系统等。基于NV中心的金刚石量子温度计具有灵敏度高、工作条件宽松、适用范围广等优势，相关研究不仅推动了量子传感技术的发展,也为重大科学问题的探索提供了新的研究手段。
图2. 金刚石复合量子传感带来测量灵敏度的巨大提升
复合量子传感是量子精密测量领域极具潜力的一个研究方向。德国斯图加特大学Jorg Wrachtrup 教授在Nature News & Views文章中[Hybrid sensors ring the changes, Nature 512:380 (2014)] [2]指出“复合量子传感有望在多个领域引起传感技术的变革，为技术和基础研究带来前所未有的机会”。华中科技大学HUST-UULM中德量子传感与量子测量国际联合实验室团队成员在金刚石复合量子传感领域开展了系列研究工作，包括首次提出了金刚石复合量子传感的概念“Hybrid sensors based on colour centres in diamond and piezoactive layers [ Nat. Commun 5, 4065 (2014)]” [3]， 首次在实验上实现金刚石温度复合量子传感“Magnetic criticality enhanced hybrid nanodiamond thermometer under ambient conditions [Phys. Rev. X 8, 011042(2018)]” [4]，并受邀撰写金刚石复合量子传感综述文章 “Hybrid quantum sensing in diamond [Front. Phys. 12:1320108 (2024)] [5]。
相关论文：
[1] M. Gong, J. Xu, M. Yu, L. Zhang, Q. Li, N. Wang, and J. Cai, Hybrid Diamond Quantum Sensor with Submicrokelvin Resolution under Ambient Conditions, Phys. Rev. Appl. 21, 024053 (2024).
[2] J. Wrachtrup and A. Finkler, Hybrid Sensors Ring the Changes, Nature 512, 380 (2014).
[3] J. Cai, F. Jelezko, and M. B. Plenio, Hybrid Sensors Based on Colour Centres in Diamond and Piezoactive Layers, Nat. Commun. 5, 1 (2014).
[4] N. Wang et al., Magnetic Criticality Enhanced Hybrid Nanodiamond Thermometer under Ambient Conditions, Phys. Rev. X 8, 1 (2018).
[5] N. Wang and J. Cai, Hybrid Quantum Sensing in Diamond, Front. Phys. 12, (2024).