芯片级固态核磁共振力/磁传感基础研究

The highly sensitive nuclear magnetic resonance (NMR) force/magnetic field sensing method is proposed in this project. Using Hamilton equation of the spin energy in the diamond nitrogen vacancy (NV) centers, the mechanism of the coupling effect between the spins in the NV centers and the multi-fields applied (laser, microwave and magnetic field) will be researched, which will give the insight into the NMR sensors designed. The low loss diamond optical waveguide, the high-Q diamond optical cavity and the high density NV centers will be designed and fabricated. By optimizing the laser excitation and fluorescence collection structure, the sensitivity of the force/magnetic field sensing will be improved. This project will also study the excitation timing and signal processing ethods. To be different with the traditional confocal fluorescence collection method, this project will dedicated on the research of the chip scale integrated NMR sensors, which integrated the NV centers, diamond waveguide, optical cavity and microwave excitation structures on the same plane chip. The pressure senor, gyroscope and the magnetometer applications will be studied.

该项目面向高精度力/磁参量传感应用，以金刚石NV色心自旋能量哈密顿量转换模型为理论基础，探索多物理场（微波、磁场、光场）调控作用下NV色心高灵敏力/磁传感作用机理。突破低损耗单晶金刚石波导、高Q值光学微腔和色心高浓度有序可控掺杂结构等自旋增强模式设计的关键基础科学问题，优化色心光学激发、传输与探测结构，实现传感器精度优化。研究高效率NV色心核磁共振荧光激发时序优化与检测信号解耦方法，解决传统NV色心激光共聚焦核磁共振传感检测的低光子收集效率和难以芯片化集成的技术难题，实现NV色心核磁共振传感结构的芯片级集成制造。以原子磁力计、陀螺仪和压力传感器为应用目标，探索一类新型的芯片级固态高精度核磁共振力/磁参量传感方法。

基于经典力/光/电学效应的传感精度受限于散粒量子涨落效应，难以突破散粒噪声极限。而单一自旋量子态量子化测量物理量不受散粒量子涨落限制，打破散粒噪声极限，达到海森堡极限。因此，探索工程应用环境多物理场耦合条件下，固态量子体系的抗弛豫机制，突破传感器件集成应用的关键技术，实现超高精度量子精密测量。从实验室复杂仪器系统到工程应用集成化器件，是推动量子信息技术工程应用的关键技术难题。. 本项目重点研究了基于固态自旋核磁共振方法的力/磁高灵敏度传感方法及工程化应用存在的关键基础科学问题，建立了基于自旋量子态磁共振效应的高精度力/磁传感模型，开发了高浓度自旋系综可控制造工艺，揭示了自旋态翻转隔离多源噪声耦合规律，集成制造了系列量子传感器原理样机，全面完成了本项目目标。. 按照项目计划，完成了项目研究内容，具体如下：.（1）在机理上，揭示了ps时间分辨激光/微波综合时序调控自旋态翻转隔离多源噪声规律，将自旋态相干时间由350ns提升至300μs（浓度1016cm-3），等效传感灵敏度提升30倍；.（2）制造工艺上，提出了金刚石晶格原子动力学可控制造自旋系综机制，构建了各功能单元硅基平面波导基结构模型及纳米谐振腔增强片上集成模型，敏感单元尺寸：8μm×8μm；.（3）核心器件上，提出了金刚石四晶轴自旋态时序锁定原位抑制三轴磁/温噪声机制，构建了器件级低噪声系统，研发了固态原子磁强计、加速度计、陀螺仪等原理样机。. 成果方面：在项目执行期内，培养了国家级高层次人才4人，获得山西省技术发明二等奖1项，发表了40篇SCI论文，其中ESI热点、高被引论文2篇，Highlights论文1篇；申请国家发明专利20项；团队成员赴国外访问交流10人次，主办国内外学术会议5次，受邀参加国内/国际会议12人次；培养博士5人，硕士25人；筹建了国家重点实验室、量子传感与精密测量山西省重点实验室和工程研究中心，与国大阪大学建立国际联合实验室并合作承担国家级项目3项。