近日，东京工业大学关口直太特任副教授、岩崎孝之副教授、波多野睦子教授等联合研究团队称，利用金刚石中的氮-空位中心开发出了金刚石量子传感器，在低频磁场下成功实现了9.4pT/√Hz的高灵敏度检测。该团队表示该技术有望应用于不需要磁屏蔽和冷却剂等大型高成本设备的脑磁测量上。未来，这一技术有望应用于针对脑活动的常规检查等脑机接口上。相关研究成果以发表于Physical Review Applied期刊。

图1 过去的金刚石量子传感器性能以及为了测量脑磁场所需要的性能（供图：东京工业大学）   

金刚石在量子传感领域备受青睐

目前，金刚石量子传感器也成了国际量子竞争前沿领域之一。美国、英国、欧盟等西方国家均将NV中心量子调控与量子传感器应用作为重点支持方向。

长期以来，金刚石凭借其相干氮-空位（NV）中心、可调节自旋、磁场敏感性以及在室温下工作的能力，一直在量子传感领域备受青睐。这是由于金刚石本身具有极高的化学稳定性和物理耐用性，是世界上硬度最高导热性最好的材料，这也使得金刚石量子传感器非常适合于恶劣环境长期应用。

在常温下，金刚石量子传感器即使在强磁场中也能进行高灵敏度的测量，因此有望应用于不需要磁屏蔽和冷却剂等大型高成本设备的脑磁测量上。

去年11月，日本东京工业大学团队研发的金刚石量子传感器可将电动汽车的续航里程增加约10%，该团队表示，该技术可精确测量储存的电量，从而最大限度地提高车载电池的性能，他们的目标是最早在2030年将这项技术投入实际应用。

东京工业大学教授波多野睦子曾表示，最大的成本因素是金刚石。用于制造量子传感器的金刚石是人工合成的，这与从矿山开采、用于珠宝首饰的天然钻石不同。使用廉价线路板，采用从沼气中提炼金刚石的量产方法，可大幅降低制造成本。   

实现全球最高灵敏度的低频磁场测量

如今，该团队在金刚石量子传感器方向再次创新。

此次，研究团队开发出了一种在设计上更便于接近测量对象的金刚石量子传感器，通过合成决定磁场灵敏度的自旋相位弛豫时间长的高品质金刚石，并将噪声降低到量子力学的极限而实现的。

这种单体金刚石量子传感器在无需使用磁通量集中器的情况下，能够在低频区域实现最高的灵敏度。同时保持优越的稳定性，能以高灵敏度持续运行至少200分钟。

关口特任副教授表示：“能够实现金刚石量子传感器的高灵敏度化，是迈向常规脑磁测量等应用的重要一步。在今后的研究中，我们将会进一步探索提高灵敏度和实用化的方法。也计划将开发的传感器应用于动物研究，以验证金刚石量子传感器在脑磁测量中的效果。”另外，东京大学、日本国立物质材料研究所（NIMS）电子与光学功能材料研究中心、量子科学技术研究开发机构（QST）高崎量子应用研究所量子机能创制研究中心、以及文部科学省共同参与了研究。

文章链接：DOI：10.1103/PhysRevApplied.21.064010