量子传感新突破！Cobolt激光器助力实现大规模并行纳米级磁测量

近日，普林斯顿大学研究团队在《Physical Review X》上发表了一项开创性研究，实现了大规模并行的纳米级磁测量技术。该研究首次成功同时读取和操控数百个金刚石氮空位色心的自旋状态，为研究量子相变、磁性材料和非平衡动力学等物理现象提供了全新工具。值得一提的是，这项突破性研究采用了Cobolt Mambo 594 nm和Cobolt MLD-06 520 nm两款激光器，为实验的成功提供了关键技术支持。

技术瓶颈

从“单点扫描”到“全景成像”的跨越

氮空位色心是金刚石中的一种原子级缺陷，具有优异的光学初始化与读出自旋态能力，被誉为纳米级量子传感的“明星体系”。然而，传统测量方法依赖于共聚焦显微镜技术，只能逐个测量单个NV色心，严重限制了测量通量，且无法捕捉非局域的物理性质。

普林斯顿团队开发的多重NV传感平台彻底改变了这一局面。他们使用低噪声相机同时读取大量单个NV色心的荧光信号，结合空间光调制器实现选择性激发，首次实现了真正意义上的大规模并行量子传感。

图1. 用于量子传感应用的基于金刚石中NV中心的多路复用平台。(a) 实验装置示意图。绿色（532 nm）激光聚焦到物镜的后焦平面，以实现对NV中心的广域激发。橙色（594 nm）激光通过一个带有可编程相位图的SLM反射，生成样品上选定NV中心的激光束图案。SLM平面被传递到物镜的后焦平面上。橙色激光束在进入物镜之前被采样，并成像到CMOS相机上进行图案校准。NV中心发出的荧光被成像到低噪声EMCCD相机上进行读取。插图：显示金刚石晶格中NV中心缺陷的示意图。(b) 广域绿色激光点用于成像和使用绿色激发进行单个自旋测量。(c) 从SLM反射的橙色激光束在样品上生成衍射极限的激光束图案，选择性地激发目标NV中心以实现高保真度读取。两幅图像中圈出的NV中心是相同的。

图2. 多路复用连续波NV自旋测量。（a）使用宽场绿激光和微波（MW）激发并行测量的连续波光探测磁共振（cw ODMR，150个光谱）。曲线的不同颜色代表NV中心的不同晶体学取向族。这里仅观察到三种不同的取向，因为在静态磁场对齐下有两个是简并的。（b）连续波ODMR测量的脉冲序列。（c）通过拟合ODMR光谱并并行测量199个NV中心的光子计数率获得的直流磁场灵敏度图。该图的空间范围由宽场激发点的大小决定。灵敏度的变化归因于13C核的存在或近表面不均匀性导致的NV电荷态不稳定。

研究亮点

这一研究的重大意义在于，它首次实现了大规模并行纳米级磁力测量，能够同时在许多精确定义的位置测量磁场的时间动态。与扫描探针成像不同，该方法可以直接计算局部噪声谱和非局域特性(如相关函数)，为研究多种凝聚态物理现象提供了全新工具。

• 大规模并行连续波测量研究人员首次实现了数百个NV色心的并行ODMR谱测量，获得的直流磁场灵敏度中位数为24 μT/√Hz，与共聚焦测量结果相当。
• 并行自旋到电荷转换读运通过SLM和Cobolt Mambo激光器的精准配合，实现了多点点阵激发，在功率受限条件下完成了高效电离过程，读运保真度达88%。
• 多重协方差磁强计首次同时测量多个空间点的磁场关联函数，从5个NV色心同时测量10个两点关联器，并成功重建了由载流导线产生的空间变化磁关联。

正如论文所指出，这一平台将立即应用于研究以噪声谱或相关函数为特征的凝聚态物理现象，包括量子相变、远离平衡态的动力学、磁序和关联电子现象等。研究团队甚至成功重建了载流导线产生的空间变化磁场相关性，展示了该技术在实际应用中的潜力。

Cobolt激光器

在这项前沿研究中，Cobolt激光器凭借其卓越的稳定性与精准的功率控制，在研究的关键环节发挥了关键的作用：

Cobolt Mambo 594 nm激光器

• 承担核心读运任务：负责自旋到电荷转换读运中的电离和电荷态读取
• 实现精准功率调制：通过内部AOM实现数字和模拟调制，在电离（约10mW/点）和读取（约20μW/点）功率间快速切换
• 支持空间光调制：与SLM配合，实现对特定NV色心的选择性激发

Cobolt MLD-06 520 nm激光器

• 实现局部重初始化：在协方差磁强计实验中，用于选择性地重新初始化特定NV色心的自旋状态
• 验证反相关性：通过局部操控，成功验证了测量到的相关性源自自旋动力学而非伪信号

这项研究的成功离不开Cobolt激光器提供的稳定、可靠光源支持。Mambo 594 nm激光器的精准功率调制能力，以及MLD-06激光器的局部操控功能，为实现复杂量子测量实验提供了坚实的技术基础。

随着量子传感技术的不断发展，Cobolt将继续为前沿科学研究提供高性能、高可靠性的激光解决方案，助力科学家探索更多未知的物理现象。

🔗 参考文献：Massively Multiplexed Nanoscale Magnetometry with Diamond Quantum Sensors,DOI: https://doi.org/10.1103/t8fz-3tzs