由澳大利亞皇家墨爾本理工大學（RMIT University）牽頭的一個項目展示了摻雜熒光微粒的玻璃光纖如何充當磁場傳感器。發(fā)表在APL Materials雜志上的這項突破性研究可能會使這類傳感器的制造和部署變得更加容易，以開拓量子計量學領(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)歷了一段時間的研究。2018年，一個由弗勞恩霍夫應(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，當時被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，因此需要相對復雜的實驗平臺，因而將其應(yīng)用限制在實驗室環(huán)境中。

皇家墨爾本理工大學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纖維體積內(nèi)分散納米金剛石的光纖。這項新突破涉及一種改進的摻雜方法，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與團隊一起測試了一些更大的50微米金剛石。該藝術(shù)家和科學家都指出，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（University of Adelaide）的項目合作者Heike Ebendorff-Heidepriem表示，“對我們而言，這是一個靈感乍現(xiàn)的時刻，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?！?

該團隊最終的摻雜纖維制造過程是一個分為兩個階段的操作。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單獨的中空玻璃管中，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)該項目的實驗，發(fā)光光譜和電子自旋共振表征表明，整個光纖拉伸過程中，金剛石微晶中氮空位中心的光學性能保持良好。研究團隊展示了通過50厘米光纖的有效氮空位自旋磁共振讀數(shù)。

研究團隊表示，“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，從而可以對光學檢測到的磁共振信號進行遠程監(jiān)測?！?

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

皇家墨爾本理工大學的Dongbi Bai補充道，“這項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。”