高灵敏度金刚石量子磁力仪可实现实用的环境条件脑磁图

据东京工业大学的科学家报道，一种利用氮空位中心的高灵敏度金刚石量子磁强计可以实现毫米级分辨率的脑磁图 (MEG)。这种基于连续波光学检测磁共振的新型磁强计标志着实现环境条件 MEG 和其他实际应用迈出了重要一步。

MEG 是一种生物医学成像技术，通过使用非常灵敏的磁力仪记录大脑神经元产生的自然电流产生的磁场来绘制大脑活动图。

目前，MEG 需要在磁屏蔽室中进行操作。实现在正常环境下工作且不需要磁屏蔽的 MEG 是一个主要目标。这将使日常诊断、脑机接口和脑功能基础研究成为可能。

使用具有氮空位 (NV) 中心的金刚石量子传感器的磁力仪是实现环境条件 MEG 的有希望的候选者。这些传感器有望提供比传统厘米级 MEG 更好的毫米级分辨率。值得注意的是，NV 中心是金刚石结构中的缺陷，由空位旁边的氮原子取代碳原子组成。

测量 NV 中心磁场的一种常用方法是连续波光学检测磁共振(CW-ODMR)。在这种方法中，使用连续微波场来操纵 NV 中心的自旋状态，同时用激光照射它们。这种激光诱导荧光的强度会根据外部磁场而变化。

通过测量这些荧光的变化，可以探测和测量外界磁场，相比其他方法，该方法更加简单易行，且可以实现毫米级的分辨率。

基于此项技术，由东京工业大学电气电子工程系副教授 Naota Sekiguchi 领导的日本研究团队最近开发出了一种新型灵敏的金刚石量子磁力仪。

“临床上可接受的 MEG 要求在合理的测量时间内，在 5-100 Hz 的近直流频率范围内具有至少皮特斯拉 (pT) 级的灵敏度。目前，金刚石磁强计需要磁通集中器 (MFC) 来实现这种灵敏度。然而，MFC 降低了磁强计的固有空间分辨率。

“此外，对于 MEG，需要较短的测量距离，因为磁场的衰减会随着距离的增加而呈指数增加。为了克服这些挑战，我们设计了一种灵敏的基于 CW-ODMR 的金刚石磁力仪，”Sekiguchi 解释道。

他们的研究成果发表在《物理评论应用》杂志上。

新型磁力仪采用高压高温 (HPHT) 法制备的单晶金刚石。在 HPHT 合成后，沿 (111) 晶面平行切出一块晶体，使用电子束辐照在晶体中产生带负电的 NV 中心，然后在 1,000 ℃ 下退火。

该NV中心组件被安置在传感头内，设计为接近目标约1毫米，传感体积为4 x 10 -3 mm 3。该组件由波长为532纳米的线性偏振绿色激光激发，并使用高折射率半球形透镜来增强激光诱导荧光的收集效率。

通过仔细调整实验条件，研究人员在没有 MFC 的情况下，在 5–100 Hz 的频率范围内实现了创纪录的 9.4 ± 0.1 pT Hz -1/2灵敏度。此外，对 Allan 偏差的分析表明，磁强计可以测量低至 0.3 pT 的磁场，并长时间保持出色的灵敏度。此外，其设计适用于实际应用，例如活体动物的 MEG。

本研究取得的高灵敏度标志着朝着实现毫米级分辨率的环境条件 MEG 迈出了重要一步。展望未来，Sekiguchi 总结道：“未来，我们计划使用本研究开发的传感器测量动物的 MEG，并使用金刚石量子传感器实现 MEG 测量。最终，我们的目标是实现无需磁屏蔽的 MEG。”

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