麻省理工学院的研究人员开发了一种测量原子磁场的新方法，不仅可以上下测量，还可以横向测量。这种新工具可以用于许多应用，例如将电脉冲映射到受激神经元中，表征新的磁性材料，以及检测奇怪的量子物理现象。

研究生易、前研究生阿肖克阿霍伊和核科学与工程教授保拉卡佩拉罗在一篇名为《物理评论快报》的论文中描述了这种新方法。

该技术基于开发的平台，用于高精度检测磁场，并利用金刚石中的微小缺陷称为氮空位(NV)中心。这些缺陷由金刚石有序碳原子晶格中相邻的两个位置组成，其中缺少碳原子。其中一个被氮原子取代，另一个留空。这将在结构中留下缺失的键。电子对环境的微小变化非常敏感，无论是电、磁还是光。

以前，使用单个NV中心来检测磁场非常精确，但只能测量沿传感器轴排列的单个尺寸变化。然而，对于一些应用，例如通过测量每个传输脉冲的确切方向来绘制神经元之间的连接，测量磁场的横向分量也是有用的。

本质上，新方法通过使用氮原子核自旋提供的辅助振荡器解决了这个问题。待测场的横向分量推动辅助振荡器的方向。通过稍微偏离轴，横向分量引起摆动，这表现为与传感器对准的场的周期性波动，从而将垂直分量转换成叠加在初级静态磁场测量上的波形图案。然后可以通过数学方法将其转换回来，以确定横向分量的大小。

刘解释说，这种方法在第二维度上提供了与第一维度相同的精度，同时仍然使用单个传感器，因此保持了其纳米级的空间分辨率。为了读出结果，研究人员利用光学共焦显微镜利用了NV中心的特殊性质：当暴露在绿光下时，它们会发出红光或荧光，其强度取决于它们精确的自旋状态。这些NV中心可以作为量子比特，量子计算相当于普通计算中使用的比特。

“我们可以通过荧光来判断旋转状态，”刘解释道。“如果是暗的，”它产生的荧光较少，“那就是‘一’态，如果是亮的，那就是‘零’态，”她说。“如果荧光是介于两者之间的数字，那么自旋状态在‘零’和‘一’之间。”

简单磁罗盘的指针告诉磁场的方向，但不告诉它的强度。一些现有的测量磁场的装置可以做相反的操作，精确地测量沿一个方向的磁场强度，但它们不能解释磁场的整体方向。新的探测器系统无法提供该方向信息。

在这个新的“指南针”中，刘说，“我们可以从它的亮度来指出荧光的位置”，以及亮度的变化。它由主磁场的整体稳定亮度水平来表示，而离轴撞击磁场引起的摆动显示出亮度的规则波状变化，然后可以精确测量。

刘说，这项技术的一个有趣的应用是用神经元接触钻石的NV中心。当一个细胞传递它的动作电位来触发另一个细胞时，系统不仅要能检测到它的信号强度，还要能检测到它的方向，这有助于画出连接，看哪些细胞在触发哪些其他细胞。同样，在测试可能适用于数据存储或其他应用的新型磁性材料时，新系统应能够详细测量材料中磁场的大小和方向。

刘说，与其他需要极低温操作的系统不同，这种新型磁传感器系统可以在普通室温下正常工作，因此可以在不损坏生物样本的情况下对其进行测试。

这种新方法的技术已经有了。“你现在可以做，但你需要先花一些时间校准系统，”刘说。

目前，该系统仅提供磁场总垂直分量的测量，而不是其精确方向。“现在，我们只提取总的横向分量；我们无法确定方向，”刘说。然而，可以通过引入添加的静态磁场作为参考点来添加三维分量。“只要我们能校准参考场，”她说，就有可能获得关于场方向的完整三维信息，“有很多方法可以做到这一点。”

以色列魏茨曼研究所化学物理高级科学家阿米特芬克勒没有参与这项工作。他说：“这是一项高质量的研究。它们对横向磁场的灵敏度与平行磁场相当，这对于实际应用来说令人印象深刻，令人鼓舞。”

Finkler补充道，“正如作者在手稿中谦逊地写道，这确实是矢量纳米级磁测量的第一步。他们的技术能否应用于实际样品，如分子或凝聚态物质系统，还有待观察。然而，他说，“最重要的是，作为这项技术的潜在用户/实施者，我对在我的实验环境中采用和应用这一方案印象深刻，并受到鼓励。"

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