近日，我校电子科学与应用物理学院量子信息团队利用涡旋光场（空间调制光场）实现了具有纳米级分辨率的免校准矢量磁力计，相关成果以“Calibration-Free Vector Magnetometry Using Nitrogen-Vacancy Center in Diamond Integrated with Optical Vortex Beam”为题于2020年11月5日在线发表于美国化学会（ACS）旗下纳米科学杂志《Nano Letters》。这一成果为纳米尺度的矢量磁场探测提供了可快速实施的有效解决方案，具有重要的应用价值。

微观磁场探测技术在凝聚态物理、生物、化学等领域有着非常重要的应用。基于金刚石NV色心的单量子探针可以在室温下实现纳米级分辨率的矢量磁场探测（如图1），然而由于NV色心在金刚石中的分布是随机的，在每次测量以前需要一个复杂的校准过程确定探针自身的方向。这一过程通常需要施加一个精确的磁场并连续改变其方向，导致基于金刚石NV色心的矢量磁探测在应用中较为困难。为解决这一问题，我校量子信息团队提出了一种基于涡旋光场的新方案，该方案利用涡旋光场照射NV色心，通过数值程序解析荧光图案特征来推断NV色心的实际方向，从而避免了通常实验中的校准过程。此后只要选取不同方向的三个NV色心作为量子探针，就可以实现对未知磁场的矢量探测。

在实验中，研究人员展示了不同NV色心在涡旋光场照射下的荧光图案以及通过数值解析得到的NV方向信息（角度，如图2），并演示了选取三个方向的NV色心实现矢量磁探测完整过程（如图3）。此外，该工作还通过引入第四个方向NV色心的冗余信息来验证了方案的正确性。陈冰副教授为该工作的第一作者，徐南阳教授为通讯作者，合肥工业大学为第一通信单位，中国科学技术大学王亚教授和杜江峰院士为共同通讯作者。

上述工作得到国家重点研发计划、国家自然科学基金、中央高校基本科研业务费等的资助。

论文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.0c03377

图1.基于涡旋光场矢量磁探测的实验装置和能级结构图

图2.金刚石NV色心在涡旋光场下的荧光成像和磁场方向测量

图3.金刚石NV色心矢量磁场测量

（陈冰/文 陈冰/图 赵金华/审核）

责任编辑：王秀芹