EP.237 靈敏度翻倍不用換儀器，只要加...兩顆葡萄！？

EP.237 靈敏度翻倍不用換儀器，只要加…兩顆葡萄！？ 「大家！把能量集中到我身上！」 也與你曾經在網路上看過這樣的影片：把葡萄放進微波爐裡加熱，結果會「發爐」產生電漿，發出金光閃閃的光芒。 這是因為微波在葡萄的折射率與尺寸下，剛好在內部形成住波共振，讓能量蓄積在葡萄裡，葡萄就變成「元氣玉」了。 這個現象，現在被拿來提升量子感測器的效能了。 在這個澳洲麥覺理大學發表的研究中，使用的量子感測裝置是利用具有「氮—空位中心」（Nitrogen-Vacancy Center）的奈米鑽石來量測磁場。 N-V 中心是鑽石晶格中的一種缺陷，由一個氮原子替代碳原子及相鄰的碳空位組成，N-V 中心的基態具有三重態（triplet，也就是自旋 S=1）結構，包括 m_s = 0 和 m_s = ± 1（自旋在Z方向的分量），本來我們講「三重態」通常是它們能量在沒有外加磁場時應該會一樣，不過由於微觀而言，材料內部的電子之間的自旋交互作用，在無外加磁場時，m_s = 0 還是會比 m_s = ± 1 的能階低約為 2.87 GHz，當外加磁場時，m_s = ± 1 這兩個能階會因為塞曼效應（Zeeman effect，詳情請見「量子熊」頻道影片）進一步分裂。 由於這個能階結構如果用頻率為2.87 GHz的微波照射N-V奈米鑽石的話，可以把它從m_s = 0激發到m_s = ± 1，讓材料內 m_s = 0 的N-V中心變少、m_s = ± 1的N-V中心變多。 這次的研究利用的是「光學檢測磁共振（optically detected magnetic resonance, ODMR）」技術。 由於上述的能階結構，在外加磁場時，m_s = 0, 1, -1 所得到的光譜譜線頻率會不一樣，而且後兩者會跟外加磁場強度有關，因此我們只要看 m_s = 1 跟 m_s = -1 的光譜能量差，就可以知道外加磁場有多大了。 而由前述的「葡萄發爐」現象得到的靈感，研究團隊認為可能可以利用葡萄增強微波磁場，以提升 N-V 中心的 ODMR 信號靈敏度。 葡萄的關鍵特性在於其水性介電體的性質。 葡萄的角色包含其折射率以及形態相依共振（morphological-dependent resonance, MDRs），葡萄由大量水分組成，其微波頻率下的介電常數約為 79.21，能有效集中微波能量。 當兩顆葡萄擺在一起組成「二聚體」時，微波磁場在葡萄中間的空隙被局域化形成熱點，這些熱點與 N-V 中心的耦合增強，使 ODMR 信號對磁場的響應更靈敏。 實驗結果顯示，加入葡萄後，微波磁場強度增強約兩倍，ODMR 對比度提升超過兩倍（對比度越高訊號越清楚），顯著提高量子感測器的效能；兩顆葡萄間隙約為 0.5 mm 時，磁場熱點效果最佳，間隙過大或過小均會導致效果下降。還有，葡萄的最佳大小是27 mm，做為參考：10 元硬幣的直徑是 26 mm。 這個研究，發表於2024/12/19的Physical Review Applied（應用物理評論）期刊。 結論就是，以後用N-V奈米鑽石做ODMR磁場檢測實驗時，實驗裝置要放兩顆葡萄，你的儀器靈敏度就會自動變兩倍（平常靈敏度兩倍的機器價格可是貴不只兩倍），再搭配綠色乖乖的話，這組儀器就無敵啦！ ＃葡萄發爐 ＃量子感測器升級 -- Hosting provided by SoundOn