近日，来自德国弗劳恩霍夫应用固体物理研究所（Fraunhofer IAF）的研究人员在其激光阈值磁强测量(LTM)的发展中取得了里程碑式的进展。
据介绍，该团队首次测量了与磁场相关的受激发射，他们开发的激光阈值磁力计可通过受激发射实现64%的信号功率放大，并显示出了创纪录的33%的超高对比度。日前，这一研究成果发表在《科学进展》（Science Advances）杂志上。
（图片来源：Fraunhofer IAF）
近年来，该团队致力于开发基于钻石的激光阈值磁力计，这一设备能够测量甚至最小的磁场。该成果可用于医疗保健领域，比如心脏和大脑活动（MCG、MEG）的典型弱磁场测量，这为用于疾病检测的灵敏磁场传感器提供了希望。
目前，只有少数高灵敏度的磁场传感器能够满足这些磁场测量所需的精度，而每一种传感器又几乎都在临床应用上面临不同的技术障碍：比如，超导量子干涉器件(SQUID)传感器需要进行大约-270°C的复杂低温冷却；其他的磁强计（如光泵浦的气室磁强计），则需要对所有背景场(包括地球磁场)进行绝对屏蔽。这些限制的存在，对具体应用它们的环境（房间和建筑物）提出了结构上的要求。也正因如此，电测量（ECG、EEG）在日常临床实践中仍然成为了更常见、更主流的选择，虽然它们的准确度比不上光泵类的方案。
面对这些挑战，Fraunhofer IAF项目经理Jan Jeske指出，他们的目标是开发一种极其灵敏的磁场传感器，它可以在室温下工作，也可以在背景场存在的情况下工作，因此适用于临床实践与应用。
该团队最新的突破源于2018年成立的DiLaMag项目，该项目旨在研究如何在比现有平台更便宜、更复杂的条件下，制造出灵敏度足够高的磁性传感器。不过，现有平台通常需要对传感器本身进行极度冷却，这成为了一大挑战。
DiLaMag项目则希望使用含有高度氮空位(NV)中心的钻石作为激光介质。这样的钻石用作激光介质时，可以极大地提高测量精度。金刚石中的NV中心是由一个氮原子和一个碳缺陷组成的原子系统，这些中心会吸收绿光并发出红光，其亮度受外部磁场强度的影响。由于NV中心很小，这种效应在理论上可以探测到具有高空间分辨率和灵敏度的磁场。
金刚石样品辐照后NV浓度较高，呈现粉红色。在完成磁场的受激发射测量后，研究人员观察到了绿色激光照射引起的红光吸收。利用NV金刚石作为激光介质，上述项目通过受激发射实现了64%的信号功率放大，与磁场相关的发射显示出33%的对比度，最大输出功率达到了毫瓦（mW）级。
测量结果显示，与自发发射(红色)激光相比，受激磁场相关发射(蓝色)的对比度记录接近33%。（图片来源：Fraunhofer IAF）
研究人员表示，激光阈值磁强测量的概念只有在钻石具有非常高的NV中心密度，同时保持强光学特性的情况下才有效。因此，这项工作需要通过化学气相沉积(CVD)生产金刚石，以及通过电子辐照和温度处理后处理来增加NV密度。比较成功的方面在于，该项目利用吸收光谱监测金刚石生产过程中NV中心的形成，建立了NV密度、高通量辐照替代氮的转换和电荷稳定性之间的相关性。
总结来看，Fraunhofer IAF的新成果证实了生产具有高密度NV中心和高质量的CVD金刚石的技术是可行的。NV中心的相干读出，则为量子缺陷和钻石NV磁场传感器的新型腔和激光应用铺平了道路，大大提高了这类传感器应用在健康、研究和采矿领域的灵敏度，有望比以往高出2-3个数量级。
