張存均 / 工研院機械所
ICM是全球磁學界最大的會議之一，由國際純粹與應用物理聯合會(IUPAP)及其磁學小組主辦。會議涵蓋磁學的整個領域，從基礎研究到先進應用。本文將專注於介紹量子磁感測領域最尖端的應用—氮空位中心磁力計(Nitrogen-Vacancy Center Magnetometry)的相關研究進展，由於其高靈敏度與高空間解析度等優勢，將可應用於未來的生醫檢測如神經元訊號與細胞磁學研究，以及量子計算與自旋電子設備開發。
前言
氮空位中心磁力計(Nitrogen-Vacancy Center Magnetometry；簡稱NV磁力計)是一種基於鑽石中氮空位(NV)缺陷的量子感測技術。氮空位是一種鑽石晶格中的點缺陷，通常由一個氮原子取代一個碳原子並伴隨一個相鄰的空位形成。NV中心的電子自旋態對外界的磁場非常敏感，這使得它可以用來探測極微弱的磁場變化。NV磁力計的運作原理是通過雷射光來激發NV中心，並利用微波控制其電子自旋態，然後根據其自旋態對外加磁場的響應來測量磁場強度與方向。這種技術具有極高的靈敏度，可以在室溫條件下工作，並且能以奈米級解析度進行非侵入式測量，因此廣泛應用於生物醫學、材料科學、凝聚態物理等領域。
研討會精摘
1. Magnetic imaging of interacting spin waves using spins in diamond / 講者：Toeno van der Sar
由於其優異的特性，NV磁力計成為探測和成像各種磁性現象的尖端工具，特別是在研究奈米尺度的磁性材料和自旋波動力學中展現出重要的應用潛力。
氮空位(NV)自旋在鑽石中能夠以奈米級解析度進行凝聚態物質系統的磁成像。在本次演講中，講者介紹 NV 磁力計作為一種成像自旋波的工具。自旋波是磁性材料中的集體自旋激發。利用 NV 對微波磁場的敏感性，研究者能夠繪製出相干自旋波、非相干磁振子氣體，並探討它們與金屬及超導體相互作用的深入理解。透過在掃描鑽石探針中使用單個 NV，自旋波散射的奈米級解析度得以實現。講者將重點介紹利用自旋波混合產生頻率梳，以便在微波驅動場與 NV 頻率相差甚遠的情況下，實現高保真、相干控制NV自旋。研究的結果為實現線性和非線性自旋波光學器件鋪平了道路，同時擴展 NV 磁力計的控制和感測能力。
在講者發表於《Nature Communications》的文章「Broadband microwave detection using electron spins in a hybrid diamond-magnet sensor chip」中，展示如何在混合鑽石-磁體感測晶片中，透過電子自旋技術來進行寬頻微波檢測。這項研究引領了一種嶄新的感測方法，利用量子材料和自旋波動力學的非線性行為，為未來的微波技術提供新的方向。
其核心概念在於，透過將含有氮空缺中心(NV)自旋層的鑽石晶片與薄膜磁性材料耦合，實現寬頻的自旋基微波感測。這項技術的關鍵是，當施加泵浦場時，磁性薄膜內部的自旋波，即薄膜中集體自旋的激發，產生非線性動態行為，這些動態可將目標信號局部轉換至氮空缺的電子自旋共振(ESR)頻率(如圖一a、b所示)。特別是透過四個自旋波混合技術，研究小組成功實現在固定磁場偏壓下約1 GHz的檢測頻寬，同時利用差頻生成技術，能夠在高於ESR頻率的多GHz範圍內進行微波檢測。這一檢測技術的靈活性表現於，透過調節泵浦場來調整檢測頻率，從而能夠表徵自旋波的帶狀結構，即使是在頻率失諧的情況下，仍能提供對限制轉換過程的非線性自旋波動力學的深刻洞察。
圖一、使用鑽石中的自旋電子透過晶片上自旋波波導的頻率轉換來偵測微波磁場。(a)實驗概念；(b)設備示意圖；(c) NV自旋的初始化和讀取是透過綠光激發並檢測紅光光致發光(PL)來實現的；(d) NV自旋在電子基態中的能級
這一創新的技術提供高度的頻率靈活性與精準的控制。此外，轉換後的微波具備高度同調性，這一特性為未來更精密的量子感測應用奠定了基礎，使得科學家可以利用共振驅動場進行對感測自旋的高保真控制。此高同調性對於實現更高精度的量子微波測量至關重要，且有助於克服傳統技術中的噪聲干擾和頻率限制問題。
研究所採用的感測平台是一個混合的鑽石-磁體結構，具體包括位於鑽石薄膜近表面的NV自旋群。這些自旋群位於一個厚度約為235奈米的釔鐵石榴石(YIG)薄膜上，該材料以其低自旋波阻尼特性而聞名。在鑽石中植入NV中心，位置距其表面約10 ~ 20奈米，然後將其放置於釔鐵石榴石(YIG，厚度為235奈米)薄膜上。一條微帶線傳輸信號和泵浦微波，激發YIG中的自旋波。自旋波混頻使得信號場的頻率轉換至NV電子自旋共振(ESR)頻率，從而實現偵測，請參考圖一b鑽石碳晶格中的NV中心原子結構。NV自旋的初始化和讀取是透過綠光激發並檢測紅光光致發光(PL)來實現的。PL在ms = ∣0⟩態下比ms = ∣±1⟩態下更強。一條帶狀微帶線負責向YIG薄膜傳輸「雙波段」信號與泵浦微波場，這兩者分別在信號頻率fs 和泵浦頻率fp 處激發YIG中的自旋波。然後，這些自旋波的頻率會轉換至氮空缺自旋的ESR頻率，進而在綠光激發下，透過測量NV自旋發出的光致發光(PL)來進行微波檢測(圖一c)。
這一系統的檢測精度依賴於外部磁場BNV(圖一d)，其作用是穩定NV中心的ESR頻率。透過 ---以上為部分節錄資料，完整內容請見下方附檔。