Science Adcances：磁传感器的新纪录！

夫琅禾费项目首次实现磁场控制的受激发射测量

       生物医学传感器是传感器的一大应用领域，传感器的精确测量保障了现代生物医学的稳健进步。磁传感器可以磁化细胞、蛋白质、抗体、病原体、病毒、DNA等并追踪它们，对临床分析、DNA分析以及环境污染监测具有重大意义。

图1 LTM创下磁传感器新纪录

       近日，夫琅禾费应用固体物理研究所（以下简称IAF）首次测量了磁场参与控制的受激发射，这意味着激光阈值磁力测量（以下简称LTM）领域取得了里程碑式进展。

       以上成果已经发表在期刊《Science Advances》上。该论文称，LTM的背后机理可以发展磁敏传感器，并极大助力于医疗和疾病监测等领域。

       Fraunhofer IAF的项目负责人Jan Jeske说：“团队目标是开发一种在室温以及磁场条件下正常工作并且极其灵敏的磁传感器，确保对临床治疗行之有效。”

       2018年，DiLaMag项目立项，旨在研究如何降低磁传感器的各方面成本，降低仪器的复杂度，以便于广泛应用于生物医学和临床分析，该项目推进了磁传感器的发展，然而，传统传感器的工作要求是极端制冷。

       DiLaMag的研究目标是使用含有高度氮空位（NV）中心的金刚石作为激光介质。NV中心吸收绿光并发射红光，其亮度受外部磁场强度影响。氮空中心的尺度小于微米量级，量子磁性效应在理论上可以监测磁场，具有高空间分辨率和高灵敏度。

       在Jeske和夫琅禾费IAF成立该项目的初期，他们预测LTM可能会使得这种磁传感器的灵敏度比现有的NV磁传感器的灵敏高2-3倍。

灵敏度的飞跃进步

       夫琅禾费项目利用NV金刚石作为激光介质，通过受激发射使得信号功率放大了64%。据该论文称，磁场控制的受激发射表现出33%的对比度和毫瓦范围的最大输出功率，这是“NV参与的磁测量的新纪录”。

       此外，它还测到NV金刚石从未发生过的物理过程，即绿色激光照射诱导的红光吸收。

       “该现象与受激发射相关，我们能够侧面证明这种现象不可能自发产生。”Jeske说，“因此，我们首次在实验上论证了激光阈值磁传感器的理论机制。”

       然而，制造含有合适密度的NV中心和对应光学特性的金刚石是一个必须面对的挑战。DiLaMag项目还研究了通过化学气相沉积法制备金刚石，以及通过电子书照射和温度处理提高NV密度。

       利用吸收光谱验证金刚石制备过程种NV中心的形成参数，得到NV密度、高通量辐照下取代氮转化率和电荷稳定性之间的相关性。

       夫琅禾费项目的最新结果证明了该技术生产高密度NV中心和高质量CVD金刚石的可行性，满足了发展基于金刚石的激光阈值磁测技术的必要条件，推进了极小磁场的测量。

       针对该论文的评论文章称：“NV中心的相干读数为量子缺陷和金刚石NV磁传感器的新型腔和激光应用铺平了导读，大大提高了康健、科学研究以及煤矿用传感器的灵敏度。”

[1] Hahl F, Lindner L, Vidal X, et al. Magnetic-Field-Dependent Stimulated Emission from Nitrogen-Vacancy Centres in Diamond[J]. arXiv preprint arXiv:2109.05060, 2021.