一种可在野外使用的高性能金刚石传感器

皇家墨尔本理工大学以及阿德莱德大学的科学家们使用传统光纤研制了一种金刚石传感器。他们在硅酸玻璃光纤的截面中嵌入微米级的金刚石碎片，这种掺杂的金刚石光纤，以金刚石中的氮空位（nitrogen-vacancy, NV）色心驱动光纤磁测。该传感器可用于野外环境中。

含有NV色心的金刚石是量子传感器的重要载体，但是多数氮空位传感器需要显微镜来收集荧光信号，这就限制了其只能在实验室中使用。

阿德莱德大学的Heike Ebendorff-Heidepriem说，研究团队已经在这个问题上攻关了十年。“金刚石在高温下会燃烧，因此在玻璃材料的选择方面十分受限。”她说。

图1 使用玻璃和金刚石制作的容器，Karen Cunningham制作，Michael Haines Photography供图。

研究人员在当地一名玻璃吹制艺术家——Karen Cunningham的工作中得到了启发，她惯于在其艺术作品中使用纳米颗粒，来展示光线在玻璃中传播的过程。

“我们向Karen提供了一些较为大块金刚石来进行测试。” 皇家墨尔本理工大学教授Brant Gibson说。“这些金刚石对于我们的研究工作来说体积过大，所以我们主要用这些金刚石来进行测试。”这些直径约1微米的金刚石在被玻璃吹制的高温中被完好保存。

“这对我们来说简直是醍醐灌顶，我们因此想到可以使用传统玻璃光纤工艺制造金刚石传感器。” Ebendorff-Heidepriem说。

研究人员使用光谱成像和电子自旋共振分析来证明，用于传感器的金刚石微晶体中的NV色心的光学性质在整个光纤的拉伸过程中被完好保留。该光纤在氮空位中心发射光谱窗口波段的传播损耗低至4.0dB/m，因此可用于对光学手段探测到的磁共振信号进行远程监测。团队使用50cm长的光纤，展示了读取到了氮空位中心自旋磁共振信号的过程。

研究人员说，他们花了三年时间来测试、制造，才从玻璃艺术发展到探测器模型。这项工作将开辟可扩展制造基于光纤的金刚石传感器的途径，这些传感器可用于水下、地下及其他地方的量子计量应用。“将想法实现为产品总是需要一段艰难的工作，我对于我们目前所取得的成绩非常激动，同时对于这个新的量子探测器所能带来的未来更加兴奋。” 皇家墨尔本理工大学的Dongbi Bai说。

这项研究工作发表在APL Materials上(www.doi.org/10.1063/5.0013473)。