金刚石量子性能表征设备——NV色心材料自旋特性研究及一体化表征平台

一、金刚石NV色心材料量子自旋性质及表征

金刚石氮-空位（Nitrogen-Vacancy，NV）色心因其在室温下具备毫秒级自旋相干时间、原子级空间尺寸、化学结构稳定、生物无毒以及多物理场耦合可调等特性，已迅速成长为横跨凝聚态物理、量子测量、量子计算、纳米科技和生命科学等方向最具潜力固体量子体系之一。基于NV色心的量子传感技术，在磁场、温度、电场、应力、自旋及动力学研究等方面展现出显著优势，广泛适配电流测量、地磁导航、材料科学、半导体检测等前沿场景，正逐步从基础研究走向工程化应用。

图1 单晶体金刚石晶格结构与NV色心晶格结构

金刚石NV色心材料用于量子传感/量子计算的性能主要受到三种弛豫时间的影响：T₂^* 、T₂ 、T₁ 。

• T₂^* —— 非均匀横向自旋弛豫时间（非均匀退相干时间）

参数含义：T₂^* 是描述非均匀、静态、慢变的局域磁场导致的自旋相位快速退相干，是自由演化下的相干时间。T₂^* 主要来自静态/慢变噪声，包括：随机分布的¹³C核自旋产生的磁噪声、未形成NV结构的氮杂质电子自旋、晶体应力不均匀、外部磁场不均匀等。

测量方法：连续波光探测磁共振法（ODMR），由谱线线宽反推T₂*。

拉姆齐脉冲序列干涉法（Ramsey），通过拟合NV色心荧光自由感应衰减（FID）振荡信号的包络曲线，即可提取T₂*。下图为Ramsey脉冲序列和荧光随自由演化时间τ变化的谱线。

典型数值：室温天然金刚石 T₂^∗≈0.1∼1μs；

参数作用：量子传感方面，T₂^* 决定了直流静磁场探测灵敏度极限；材料表征方面， T₂^* 可辅助筛查金刚石样品均匀性、离子注入/掺杂工艺质量，评判 NV 色心分布是否集中、有无大面积晶格畸变。

图2. 利用Ramsey脉冲序列测量单NV色心的T₂^*时间，(a) Ramsey脉冲序列；（b）拉姆齐序列测得的荧光随自由演化时间τ变化的衰减谱（T₂^*≈ 180ns）。

• T₂ —— 均匀横向弛豫时间

参数含义：T₂表示环境动态自旋涨落（噪声）造成NV自旋相干消失的特征时长, 通常会比T₂^*大很多，其表示的退相干过程是狭义上的横向弛豫。噪声来源一般包括：¹³C核自旋随机进动、氮杂质电子自旋随机翻转、自旋间偶极相互作用。

测量方法：Hahn自旋回波、CPMG 多脉冲序列。

利用Hahn自旋回波的中间π微波脉冲抵消静态磁场不均匀带来的相位失相（影响T₂^∗大小），只保留动态自旋涨落引起的退相互，改变总演化时间τ，拟合荧光衰减包络可以得到T₂。​

典型数值：室温高纯金刚石 T₂≈300∼600μs；

参数作用：量子传感方面，T₂决定交流磁场测量灵敏度；量子相干操控方面，T₂决定相干叠加态的存续时间，是实现量子门、自旋操控的基础；材料表征方面，评价金刚石样品纯度、杂质浓度。

图3. 利用Hahn脉冲序列测量系综NV色心的T₂时间，(a) Hahn脉冲序列；（b）系综NV色心典型退相干曲线（T2 从衰减包络线中提取得到）。

• T₁ —— 自旋晶格弛豫时间（纵向弛豫时间）

参数含义：描述 NV 电子自旋布居从非平衡激发态弛豫回到热平衡态的特征时间，物理本质是自旋与晶格声子之间能量交换，使得粒子分布逐步回归热平衡态。

测量方法：专用纵向弛豫脉冲序列（光初始化 + 可选π脉冲 + 延时读出）。

利用激光首先将NV色心初始化到｜0⟩态，分两路测量，一路加π微波脉冲，调控自旋态∣0⟩→∣±1⟩；另一路不加脉冲，保持∣0⟩；间隔自由演化时间t，探测激光采集两路荧光信号，得到差值S = m₂- m₁。随着t增加，∣±1⟩自旋靠声子弛豫回落到∣0⟩，两路荧光差逐步减小。如下图为T₁的测量脉冲序列和NV自旋弛豫曲线。

典型数据：室温下数毫秒级，温度越低，T₁时间越长。

参数作用：量子传感方面，T₁约束传感灵敏度的极限；量子计算/存储方面，T₁决定量子态最长保存时间；材料表征方面，T₁表征金刚石晶格质量、表面缺陷密度。

图4. 系综NV色心的T1时间测量，（a）脉冲测量序列，（b）NV纵向弛豫曲线。

总结：

在量子传感性能方面，一般T₁ T₂ T₂ ^*，T₁ 代表量子系统终极性能天花板，决定所有自旋操控、传感、以及量子存储的最大可用时长；T₂ 和T2^∗分别决定交流磁场和静态/低频磁场测量灵敏度上限。NV色心磁场探测灵敏度 ，其中α为荧光对比度，β为单位时间探测到的光子数。

静态/低频磁探测：T=T₂^∗，静态磁场测量受T₂^∗短时长限制，灵敏度偏低；

交流磁场探测：T=T₂，探测时长大幅增长，灵敏度显著提升；

多脉冲交流磁场相关谱探测：T=T₂⁽ⁿ⁾ ≤0.5T₁，性能上限取决于T₁；

在NV色心材料表征方面，T₂^∗主要针对静磁场均匀性、可辅助筛查金刚石样品均匀性、离子注入/掺杂工艺质量，评判 NV 色心分布是否集中、有无大面积晶格畸变；T₂聚焦动态自旋杂质、局域磁噪声、氮杂质 (P1 中心)、¹³C核自旋、自旋间动态相互作用，是评判金刚石纯度、杂质含量、NV周边自旋环境的核心指标，也是CVD / HPHT样品筛选最常用参数；T₁主要反映金刚石晶格整体特性、声子环境、表面/界面缺陷，对电子自旋、核自旋杂质不敏感，是评价晶格完整性、表面状态、温度相关特性的核心参数。

实际金刚石NV材料质检、科研表征中，三者组合互补，形成完整评价体系：第一步，初筛（T₂^∗）快速扫描，排查晶格损伤、掺杂不均、多晶、工艺缺陷，淘汰劣质样品；第二步，纯度筛查（T₂）检测氮、¹³C等关键自旋杂质，判定金刚石等级（高纯 / 普通 / 高掺），评估NV周边动态环境；第三步，晶格 & 表面评价（T₁），补充检测体晶格完整性、表面缺陷，尤其针对纳米金刚石、浅层NV等表面敏感样品；最后，进阶分析结合磁场角度、低温、多脉冲序列，解析自旋相互作用、自旋浴动力学，用于材料机理研究与工艺优化。

二、产品介绍

国盛量子推出了一套面向金刚石NV色心材料性能表征和自旋量子传感技术研究的综合性能实验平台，平台以高精密量子操控与弱信号读取技术为基础，集成了精密调控光学系统、脉冲微波系统以及量子信号采集处理模块；可用于退相干时间标定、灵敏度标定、NV相对浓度标定；同时可以实现量子自旋演化过程可视化、关键自旋参数精准便捷测试、量子传感性能快速验证等功能，为NV色心材料表征、量子传感技术的研究与性能验证提供了一体化专业解决方案。

• 产品功能

• 软件界面

• 产品价值

源头把关，提升工艺良率：从源头把控金刚石量子材料品质，助力高性能量子金刚石材料研发与量产质控，缩短工艺周期。

性能可测，保障器件指标：让量子传感器性能可测、可控、可信，在器件设计阶段就做出准确评估，显著缩短产品迭代周期。

便捷操作，加速科研效率落地：支持研究者自定义量子测量协议，满足前沿课题需求兼顾教学演示与深度科研，提升实科研教学效率。