基于金刚石NV色心的实时3D磁场成像技术

动态矢量磁场实时感测是众多磁测应用所需，如磁导航、生物磁场检测成像、磁异常探测。

标量磁力计仅能测量磁场大小，矢量投影磁力计只能测量特定轴向磁场投影。但若想同时测量多方向磁场怎么办？

哈佛大学研究人员开发新工具，可感测从凝聚态系统到放电神经元的各种磁场。工具利用金刚石多种点缺陷之一的氮-空位 (NV) 色心，能同时检测不同方向磁场。

研究人员将一小块4毫米见方的金刚石晶片置于4个不同微波信号下。每个信号配置为测量特定NV取向，并按特殊调频模式抖动（添加白噪声降低低幅信号失真）。这使他们能分析单个NV取向在不同磁场方向下的行为。

迄今为止，这一直是繁琐耗时的过程：定期在微波频率间切换观察单个NV取向响应。新工具代表相较于以往方法的重大改进。

旧技术不适用于生物磁场等快速过程（如神经元放电）。无法捕获所有信息，但新技术可同时测量各方向磁场。

研究中，研究人员在磁场波动时从金刚石收集连续数据流。新工具处理数据速度快于收集速度，使研究人员能实时观测磁场振幅和方向。

参考：APSPhysics | doi:10.1103/PhysRevApplied.10.034044 | Harvard Gazette

系统建立在利用金刚石NV色心识别海洋蠕虫神经信号的先前研究基础上。那只是原理验证。有效神经科学系统须与哺乳动物神经元兼容，但放电神经元产生的磁场朝向各异，制造此类系统相当困难。新工具解决了所有神经元磁感测问题。

此任务中，NV色心在金刚石晶格中完美排列。每个NV色心由一个碳原子被氮原子和相邻空位取代形成。因每个原子连接4个其他原子，存在4种可能NV取向，每种对该方向磁场敏感。因此可用4种NV色心确定磁场方向。

研究人员提供

实验中，研究人员将金刚石晶片置于实验室产生的磁场中，投射激光使其发光。NV色心对磁场变化和独特调频模式反应时，亮度显著变化。

研究人员追踪亮度变化创建磁场3D图像。现在可同时观测所有4种NV取向并实时确定磁场。就像同时收听4个不同无线电频道，它们协同有序。

虽是对其他科学家工作的微小改进，作者相信其技术可用于凝聚态物理、生物学等多个领域。

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