由澳大利亞皇家墨爾本理工大學(xué)（RMIT University）牽頭的一個(gè)項(xiàng)目展示了摻雜熒光微粒的玻璃光纖如何充當(dāng)磁場傳感器。發(fā)表在APL Materials雜志上的這項(xiàng)突破性研究可能會(huì)使這類傳感器的制造和部署變得更加容易，以開拓量子計(jì)量學(xué)領(lǐng)域的新應(yīng)用。

他們的研究基于金剛石特定的晶格缺陷——氮空位（NV）中心產(chǎn)生有用的光致發(fā)光，并使用外部電磁場或其它輻照來操縱這種發(fā)光，從而將氮空位中心變?yōu)楣鈱ぶ穫鞲衅鳌?

氮空位中心作為磁場傳感器內(nèi)置到量子信息系統(tǒng)中的潛能已經(jīng)經(jīng)歷了一段時(shí)間的研究。2018年，一個(gè)由弗勞恩霍夫應(yīng)用固體物理研究所（Fraunhofer IAF）協(xié)調(diào)的歐洲項(xiàng)目研究出將摻雜氮空位的金剛石用作激光介質(zhì)的技術(shù)，該技術(shù)被稱為激光閾值測磁法，當(dāng)時(shí)被Optics.org描述為“一種新的傳感方法”。

迄今為止的問題是，大多數(shù)氮空位傳感器都需要用顯微鏡來收集熒光信號，因此需要相對復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)平臺，因而將其應(yīng)用限制在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中。

皇家墨爾本理工大學(xué)曾使用體積摻雜技術(shù)，在塊體原料階段將熒光金剛石納米顆粒整合到玻璃基質(zhì)中去，從而制造出一種在整個(gè)纖維體積內(nèi)分散納米金剛石的光纖。這項(xiàng)新突破涉及一種改進(jìn)的摻雜方法，該方法將微米級金剛石顆粒限制在纖維橫截面內(nèi)的角界面，將氮空位熒光限制在纖維的中心區(qū)域，有助于沿光纖采集信號。

其中一個(gè)靈感來源于一位玻璃藝術(shù)家的納米金剛石裝飾作品，阿德萊德（Adelaide）的玻璃吹制藝術(shù)家Karen Cunningham與團(tuán)隊(duì)一起測試了一些更大的50微米金剛石。該藝術(shù)家和科學(xué)家都指出，金剛石顆粒不受吹制玻璃操作的影響，并成功地為人造玻璃制品提供了裝飾效果。

量子傳感新問題的解答

阿德萊德大學(xué)（University of Adelaide）的項(xiàng)目合作者Heike Ebendorff-Heidepriem表示，“對我們而言，這是一個(gè)靈感乍現(xiàn)的時(shí)刻，我們意識到我們可以用更傳統(tǒng)的玻璃光纖制造金剛石傳感器。”

該團(tuán)隊(duì)最終的摻雜纖維制造過程是一個(gè)分為兩個(gè)階段的操作。首先將玻璃擠壓成甘蔗形狀，在其外部涂上金剛石顆粒。然后，將涂覆的甘蔗形狀玻璃插入一個(gè)單獨(dú)的中空玻璃管中，并將雙組件下拉到摻雜金剛石的光纖中。

摻雜纖維制造過程

根據(jù)該項(xiàng)目的實(shí)驗(yàn)，發(fā)光光譜和電子自旋共振表征表明，整個(gè)光纖拉伸過程中，金剛石微晶中氮空位中心的光學(xué)性能保持良好。研究團(tuán)隊(duì)展示了通過50厘米光纖的有效氮空位自旋磁共振讀數(shù)。

研究團(tuán)隊(duì)表示，“混合光纖在氮空位發(fā)射光譜窗口中的傳輸損耗低至約4.0 dB/m，從而可以對光學(xué)檢測到的磁共振信號進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)測。”

現(xiàn)在，這種光纖使得基于光纖金剛石傳感器的擴(kuò)大生產(chǎn)成為可能，并用于許多現(xiàn)場可部署的量子計(jì)量應(yīng)用。

皇家墨爾本理工大學(xué)的Dongbi Bai補(bǔ)充道，“這項(xiàng)研究將幫助我們制造出便宜且能夠監(jiān)測磁場變化的量子傳感器網(wǎng)絡(luò)，開拓出許多有用的應(yīng)用，并為我們尚未來得及思考的問題答疑解惑。”