金刚石中的氮-空位（NV）色心在室温下具有优异的自旋相干性，被视为量子磁力仪的主要候选材料，在纳米尺度现象和高灵敏磁场检测方面具有巨大的潜力。然而，要想实现同时具有高空间分辨率和高磁场灵敏度的固态磁力仪仍面临挑战。

近日，日本丰桥技术科学大学（Toyohashi University of Technology）、东京大学（the University of Tokyo）和美国哥伦比亚大学（Columbia University）的研究人员组成的团队利用片上金刚石微环谐振器展示了一种具有高磁场灵敏度的纳米尺度量子传感器（图1）。微环谐振器通过将光子限制在纳米尺度区域内，提高了光子的利用效率，从而在光子芯片上达到了1.0 μT/√Hz的磁场灵敏度。该研究还证实，这种片上方法通过与光子波导耦合可实现高效光提取，进一步提升了检测灵敏度。该研究工作为用于基础科学、化学和医学等领域中检测各种纳米尺度物理量的芯片级封装传感器开发提供了一条途径。上述研究成果以“High-sensitivity nanoscale quantum sensors based on a diamond micro-resonator”为题发表于Communications Materials期刊。

综上所述，这项研究展示了一种基于金刚石微环谐振器的纳米尺度高灵敏度量子传感器。通过结合金刚石纳米加工技术与“拾取-翻转-放置转印技术”，成功制备了含有大量NV色心的高Q值金刚石微环谐振器。这种基于芯片的方法通过利用尖端集成光子技术的优势有助于实现量子传感器的小型化。通过对芯片上的NV色心进行相干自旋操控，所开发的纳米尺度量子传感器实现了1.0 μT/√Hz的磁场灵敏度，并达到了25%的电子自旋共振对比度。研究人员还通过数值模拟证明，基于微腔的平台与SiN光子技术的结合进一步将磁场灵敏度提升至1.3 nT/√Hz。磁场灵敏度的提高显著减少了数据采集时间，并能够实现对微弱磁场的实时检测和监控。该金刚石量子传感器具备亚nT级灵敏度，可便捷地对要求微米级精度的磁场信息进行成像。总之，本项研究基于光子芯片，为纳米到微米级高灵敏度量子传感铺平了道路，其应用领域涵盖凝聚态物理、化学、神经科学以及生物医学等。