图片来源：Physical Review Applied （2024）。DOI： 10.1103/PhysRevApplied.21.064010

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

MEG是一种生物医学成像技术，用于通过使用非常灵敏的磁力计记录大脑中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需要一个磁屏蔽室才能运行。实现在正常环境中工作且无需磁屏蔽的MEG是一个主要目标。这将使日常诊断、脑机接口和大脑功能的基础研究成为可能。

使用具有氮空位 （NV） 中心的金刚石量子传感器的磁力计是实现环境条件 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，由氮原子取代碳原子组成，紧挨着空位。

用NV中心测量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，连续微波场用于操纵NV中心的自旋态，同时它们被激光照射。这种激光诱导荧光的强度会根据外部磁场而变化。

通过测量荧光的这些变化，可以检测和测量外部磁场。与其他方法相比，该方法更简单易行，可以达到毫米级分辨率。

基于这项技术，由东京工业大学电气与电子工程系Naota Sekiguchi副教授领导的日本研究小组最近开发了一种新颖而灵敏的金刚石量子磁力计。

“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，灵敏度至少为 picotesla （pT） 量级。目前，金刚石磁力计需要磁通量集中器（MFC）才能达到这种灵敏度。然而，MFC降低了磁力计的固有空间分辨率。

“此外，对于MEG，由于磁场的衰减随着距离的增加呈指数增长，因此需要较短的测量距离。为了克服这些挑战，我们设计了一种灵敏的基于CW-ODMR的金刚石磁力计，“Sekiguchi解释道。

他们的研究已发表在《物理评论应用》杂志上。

这种新型磁力计使用单晶金刚石，该金刚石采用高压高温 （HPHT） 方法制造。合成HPHT后，平行于（111）晶平面切出一块晶体，利用电子束照射在晶体中产生带负电荷的NV中心，然后在1000°C下退火。

该NV中心集成放置在传感器头中，旨在以4 x 10的传感体积接近目标约1毫米-3毫米3.采用波长为532 nm的线偏振绿光激光激发该系综，并采用高折射率半球透镜提高激光诱导荧光的收集效率。

通过仔细调整实验条件，研究人员实现了9.4±0.1 pT Hz的记录灵敏度-1/2在 5–100 Hz 的频率范围内，没有 MFC。此外，对艾伦偏差的分析表明，该磁力计可以测量低至0.3 pT的磁场，并长时间保持显着的灵敏度。此外，其设计适用于实际应用，例如活体动物的 MEG。

本研究实现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中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，我们的目标是在不需要磁屏蔽的情况下实现 MEG。

更多信息：N. Sekiguchi 等人，金刚石量子磁力计，直流灵敏度低于 10 pT Hz−1/2，用于测量生物磁场，Physical Review Applied （2024）。DOI： 10.1103/PhysRevApplied.21.064010.在arXiv上： DOI： 10.48550/arxiv.2309.04093

期刊信息： arXiv ， Physical Review Applied