金刚石NV色心自旋传感技术

金刚石氮-空位（NV）色心具有优异的室温量子特性、长相干时间、兼容微纳加工等优势，成为芯片化高精度传感器技术领域发展的新方向。基于金刚石NV色心量子效应的磁场、电场、温度、角速度等多种物理量，其传感灵敏度已逐渐突破现有传感测量技术的极限，在航空航天、深空探测、生命科学等学科领域应用越来越深入。

       据麦姆斯咨询报道，针对该领域研究，中北大学刘俊教授团队在《仪器仪表学报》期刊上发表了题为“金刚石氮空位色心自旋传感技术”的综述文章，介绍了金刚石NV色心自旋传感机理，基于金刚石NV色心的多种类型传感器的原理、关键技术、发展现状，并对其集成化工程应用发展趋势进行了分析。

金刚石NV色心自旋传感机理

       金刚石NV色心是由金刚石晶格中1个氮原子取代了1个碳原子，并与邻近碳空位所构成的晶格缺陷结构。NV色心沿着“氮原子-空位”的连接方向具有C₃ᵥ对称性（NV色心轴向）。通常，NV色心以NV⁻（带负电）和NV⁰（电中性）两种形式存在，其中NV⁻的电子自旋态易于极化与调控。

       NV色心中自旋电子的能级可通过微波调控，当微波能量与自旋能级间能量差相等时，低态能级自旋电子吸收微波能量发生共振跃迁，各能级的电子布居数发生改变。当外界物理量与自旋电子耦合时，会引起自旋电子跃迁，改变电子布居数，可通过荧光强度读取各能级电子布居数实现对物理量传感测量。目前自旋信息探测方法主要有光探测磁共振（ODMR）、Ramsey序列、Spin Echo序列等方法。

（1）零场分裂效应传感机理

金刚石NV色心的基态能级在零外场作用时，0态和±1态之间产生能级劈裂被称为零场劈裂。零场分裂效应是基于金刚石NV色心周围核自旋的物理效应，可以用来测量温度。随着金刚石NV色心的研究不断深入，其在传感器领域的应用前景也变得越来越广阔。

（2）塞曼分裂效应传感机理

塞曼分裂效应是指外部磁场导致的NV色心能级分裂和移动。由于NV色心本身存在的磁矩，外磁场的作用引起了附加的能量，造成了能级的分裂，分裂数值与磁场强度成正比。

（3）斯塔克效应传感机理

斯塔克效应是指外部电场导致的能级移动和分裂。由于NV色心存在轴向与非轴向的电偶极矩，外电场的作用引起了附加的能量，造成了能级的分裂，分裂数值与电场强度成正比。通过斯塔克效应，金刚石NV色心在电场和应力传感领域具有很大的应用潜力，可用于生物医学、环境监测、电子学等领域。

（4）CPT效应传感机理

相干布居囚禁（CPT）是指在相干光场的作用下，所有电子布居数都长期处于两个基态的相干叠加态，且不再吸收或发射光子的物理效应。通过CPT效应，使NV色心中的电子布居数全部处于基态，进而抑制了NV色心的光子吸收和发射。当磁场波动时，CPT被打破，NV色心重新吸收并发射光子。此时，通过光子计数和磁场之间的相关关系，即可对磁场进行实时传感。