從生物醫學(xué)到海洋地質(zhì)研究，量子鉆石系列產(chǎn)品助力三大領(lǐng)域科研突破

更新時(shí)間：2025-07-04 點(diǎn)擊次數：644

金剛石NV色心這一固態(tài)單自旋體系具有易于初始化和讀出、可操控、具有較長(cháng)相干時(shí)間等優(yōu)點(diǎn)，在量子精密測量、量子計算等領(lǐng)域具有巨大的應用前景。近年來(lái)，國儀量子基于金剛石NV色心體系開(kāi)發(fā)了掃描NV探針顯微鏡、寬場(chǎng)NV顯微鏡以及量子鉆石單自旋譜儀等多款量子精密測量設備，幫助用戶(hù)在多個(gè)領(lǐng)域取得了重要的科研突破。

從生物醫學(xué)到海洋地質(zhì)研究，量子鉆石系列產(chǎn)品助力三大領(lǐng)域科研突破

曲阜師范大學(xué)：高溫高壓調控下金剛石中單NV-色心實(shí)現超長(cháng)相干時(shí)間的突破

近期，曲阜師范大學(xué)物理工程學(xué)院劉曉兵教授團隊，在高溫高壓條件下采用溫度梯度法成功制備了大尺寸高質(zhì)量的Type-IIa金剛石單晶，并深入研究了金剛石生長(cháng)及高溫高壓退火過(guò)程中單NV-色心的形成機制及其相干性質(zhì)，相關(guān)成果以“Achieving Ultralong Spin Coherent Time of Single Nitrogen Vacancy Centers in Diamond”發(fā)表在Chinese Physics Letters上。

研究表明，NV-色心在金剛石結晶過(guò)程中優(yōu)先在<111>晶向生長(cháng)區域的邊界位置形成。在高溫高壓條件下，氮原子和空位的擴散顯著(zhù)增強，使得原本無(wú)色心的區域在退火過(guò)程中有效生成均勻彌散分布的單NV-色心。利用NV-色心作為探針，該團隊探討了高溫高壓退火對其相干性質(zhì)的影響。結果顯示，高溫高壓退火能夠有效調控金剛石生長(cháng)過(guò)程中晶格畸變引起的外場(chǎng)效應，從而顯著(zhù)提升色心的相干性質(zhì)，最長(cháng)相干時(shí)間達到720 μs，創(chuàng )下¹³C天然豐度金剛石中NV-色心相干性質(zhì)的最高水平。該研究通過(guò)高溫高壓技術(shù)，實(shí)現了高相干單NV-色心的可控制備，為量子信息技術(shù)的發(fā)展提供了重要基礎。

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圖1：高溫高壓法合成的大尺寸Type-IIa金剛石單晶。

文中使用國儀量子的量子鉆石單自旋譜儀對不同條件下生長(cháng)金剛石NV色心及其相關(guān)特性進(jìn)行表征。

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圖2：通過(guò)高溫高壓退火處理生成<111>單NV?色心。 (a) 1300℃退火前的共聚焦圖像;(b) 1300℃退火后的共聚焦圖像；(c) 1500℃處理后的成像：?jiǎn)?/span>NV?色心開(kāi)始出現；(d) 1600℃處理后的成像：?jiǎn)蜰V?色心密度顯著(zhù)增大

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圖3：高溫高壓（HPHT）金剛石中單NV?色心的自旋相干性(a) (b) 對比HPHT金剛石與CVD金剛石中單NV-色心的退相干時(shí)間T2*與相干時(shí)間T2。(c) 與(d) 相干時(shí)間達到720 μs的單色心FID及Spin Echo信號的實(shí)驗結果。

本研究分析了高溫高壓條件下金剛石中NV-色心的形成機制，并在Type-IIa高溫高壓金剛石中實(shí)現了高相干單NV-色心的可控制備，為其在量子技術(shù)中的應用奠定了堅實(shí)基礎。此外，該研究揭示了金剛石中晶格畸變場(chǎng)對NV-色心相干性質(zhì)的影響，為未來(lái)進(jìn)一步提升其相干性提供了重要指導，也為相關(guān)領(lǐng)域的研究提供了新的視角與思路。

南京理工大學(xué)：使用ODMR譜儀通過(guò)磁熒光量子比特成像和即時(shí)人工智能增強進(jìn)行單蛋白測定

傳統的POCT存在靈敏度局限，漏檢或假陽(yáng)性風(fēng)險較高，限制了其在常規門(mén)診分析和早期臨床診斷中的應用。南京理工大學(xué)鄧盛元團隊利用前沿量子精密計量學(xué)的優(yōu)點(diǎn)，在核殼熒光納米金剛石FND@SiO₂上進(jìn)行磁熒光量子位標記與調諧，開(kāi)發(fā)了一種微型量子傳感器。相關(guān)成果以“Single-Protein Determinations by Magnetofuorescent Qubit Imaging with Artifcial-Intelligence Augmentation at the Point-Of-Care”發(fā)表在ACS Nano期刊。

從生物醫學(xué)到海洋地質(zhì)研究，量子鉆石系列產(chǎn)品助力三大領(lǐng)域科研突破

研究綜合表征證實(shí)了FND生物標簽的成功構建，而光譜學(xué)分析確保表面修飾后自旋態(tài)躍遷特性未發(fā)生退化。研究人員以病毒核衣殼蛋白為模型標記物，通過(guò)鎖相分析獲得了超低檢測限（LOD），性能超越傳統比色法及免疫熒光法2000倍以上。此外，進(jìn)一步采用Unet-ConvLSTM-Attention架構的人工智能（AI）增強技術(shù)，通過(guò)原始量子隊列的像素級掃描精準識別真實(shí)量子點(diǎn)。此處理不僅顯著(zhù)提升探測精度，更實(shí)現了人唾液中單蛋白水平的確定性檢測，其終極LOD較膠體金法低7800倍，達到RT-qPCR閾值，并媲美金標準SIMOA的認證臨界值。

從生物醫學(xué)到海洋地質(zhì)研究，量子鉆石系列產(chǎn)品助力三大領(lǐng)域科研突破

文中使用了國儀量子的量子鉆石單自旋譜儀對FND進(jìn)行探測，測到了納米金剛石NV色心激發(fā)態(tài)的光探測磁共振譜，對激發(fā)態(tài)NV性質(zhì)進(jìn)行了研究。并測試了FND在外部磁場(chǎng) B = 0, 1, 2, 3, 4, 10 mT 作用下的連續波譜。

因此，通過(guò)AI輔助光學(xué)量子位數字化，此符合REASSURED標準（實(shí)時(shí)、易用、低價(jià)、高敏、無(wú)樣本限制、用戶(hù)友好、快速、免設備、可送檢）的裝置有望成為兼具超凡靈敏度、速度與成本效益的新一代POCT解決方案，為新興量子計量學(xué)在生物傳感領(lǐng)域的卓越性能提供了決定性實(shí)證。

海洋二所：使用量子鉆石顯微鏡（QDM）探討了普遍存在的氧化風(fēng)化作用是否會(huì )影響SMS礦床的磁性特征

海底塊狀硫化物（SMS）礦床在不同地質(zhì)背景下可具有多變的磁性礦物組成，但其時(shí)空差異性的機制和意義尚不甚明了。海洋二所陶春輝團隊基于西南印度洋玉皇熱液區的海底淺鉆和表層取樣，探討了普遍存在的氧化風(fēng)化作用是否會(huì )影響SMS礦床的磁性特征。以”Redox sensitive mineral magnetic signatures of seafloor massive sulfide deposits“發(fā)表在Journal of Geophysical Research: Solid Earth期刊。

顯微觀(guān)察和二價(jià)鐵濃度分析表明，海底SMS礦床普遍遭受了強烈氧化；而海底以下的SMS礦床相對新鮮，但在樣品采集后氧化作用即刻開(kāi)始。新鮮樣品觀(guān)測到磁化率呈現負頻率依賴(lài)性（可能源于測量中的渦電流效應），但氧化樣品中未見(jiàn)此現象，這表明氧化風(fēng)化作用降低了SMS礦床在地球物理探測中的電磁可探測性。磁黃鐵礦（以及可能的其他磁性硫化鐵礦物）、磁鐵礦和赤鐵礦被確認為SMS礦床中主要的磁性礦物（廣義鐵磁性礦物）。

文章中應用了薄片磁學(xué)成像技術(shù)輔助定位磁性礦物，該技術(shù)使用由國儀量子設計的量子鉆石顯微鏡（QDM）。

從生物醫學(xué)到海洋地質(zhì)研究，量子鉆石系列產(chǎn)品助力三大領(lǐng)域科研突破

電子顯微鏡和量子鉆石顯微鏡（QDM）觀(guān)察揭示，磁黃鐵礦礦化源于高溫還原性熱液流體，而鐵氧化物則主要是原生硫化物的氧化產(chǎn)物。氧化風(fēng)化作用會(huì )改造SMS礦床的古地磁記錄。整體磁性參數隨氧化程度增強而呈現系統性變化。溫度依賴(lài)性磁學(xué)測量是區分SMS礦床氧化狀態(tài)的有效工具?？傊?，這些發(fā)現解釋了SMS礦床中磁性礦物的變異性，將礦物磁學(xué)特性與海底地球物理勘探聯(lián)系起來(lái)。礦物磁學(xué)亦可作為一種氧化還原狀態(tài)的指標，用于追蹤海底熱液區自然和人為環(huán)境波動(dòng)，為理解動(dòng)態(tài)地球系統中的相互作用激發(fā)新穎的跨學(xué)科研究。

國儀量子量子鉆石系列產(chǎn)品