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探索地球往事！量子精密測(cè)量技術(shù)在古地磁學(xué)中的應(yīng)用

更新時(shí)間：2023-04-14 點(diǎn)擊次數(shù)：2101

古地磁學(xué)是一門介于地質(zhì)學(xué)、物理學(xué)、地球物理學(xué)之間的交叉學(xué)科。古地磁學(xué)一般通過測(cè)定巖石或古文物的天然剩余磁化強(qiáng)度，研究地質(zhì)時(shí)期地球磁場(chǎng)方向、強(qiáng)度、行星發(fā)動(dòng)及其演化規(guī)律。

巖石是天然礦物的結(jié)合體，其剩余磁性一般來自于巖石中的鐵磁礦物，包含原生剩磁和次生剩磁。所謂原生剩磁指的是巖石形成時(shí)記錄的地磁場(chǎng)信息。與之相對(duì)的，在巖石形成后得到的剩余磁性叫做次生剩磁，如巖石在外磁場(chǎng)的作用下（如自然雷電擊中、流水風(fēng)沙侵蝕）獲得的剩磁。由于古地磁學(xué)研究的是巖石形成時(shí)地磁場(chǎng)的特征，故必須以準(zhǔn)確地測(cè)量原生剩磁為先決條件。

目前，巖石磁性是通過測(cè)量毫米到厘米大小的大塊樣品的凈磁矩來分析的。目前常見的科學(xué)分析儀器有超導(dǎo)巖石儀、振動(dòng)樣品磁力儀等。然而，在亞微米尺度上，地質(zhì)樣品通常在礦物學(xué)和質(zhì)地上都是不均勻的，只有小部分鐵磁顆粒攜帶的剩余磁化。因此，在這種情況下表征巖石磁性需要一種能夠在納米空間尺度上成像磁場(chǎng)并具有高靈敏度的技術(shù)。例如，正廣泛應(yīng)用的掃描超導(dǎo)顯微鏡（SQUID）、磁阻顯微鏡、霍爾顯微鏡等。

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2011年，科研工作者們證實(shí)了金剛石中的氮-空位色心（簡(jiǎn)稱NV色心）可以用于亞微米尺度上的磁成像。2017年，哈佛大學(xué)R.L.Walsworth等人利用自搭的基于NV色心的量子鉆石顯微鏡，實(shí)現(xiàn)了巖石磁場(chǎng)的成像，其指標(biāo)空間分辨率為5 um、視場(chǎng)范圍為4 mm。通過減少金剛石與樣品之間的距離（≤10 um）,實(shí)現(xiàn)磁矩靈敏度10^-16 A·m²，這一指標(biāo)可媲美乃至超越SQUID、磁阻顯微鏡、霍爾顯微鏡等主流設(shè)備。此外，量子鉆石顯微鏡還具有光學(xué)成像功能和成像速度快的優(yōu)勢(shì)。

可見，在地質(zhì)、磁隕石的探測(cè)分析中，量子鉆石顯微鏡展現(xiàn)出了巨大的應(yīng)用潛力，為弱磁成像開辟了新的道路。隨著人類對(duì)月球、火星等深空領(lǐng)域的不斷探索，量子鉆石顯微鏡也將應(yīng)用于月巖、火星巖石的表征分析中。

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量子鉆石顯微鏡的大致構(gòu)造如上圖（a）所示。整個(gè)探頭部分置于三維的亥姆霍茲線圈中，其作用是施加外磁場(chǎng)使得金剛石內(nèi)NV色心能級(jí)退簡(jiǎn)并。實(shí)驗(yàn)過程中金剛石緊貼于巖石樣品表面，如上圖（b）所示。下面簡(jiǎn)述量子鉆石顯微鏡的工作原理。

首先利用激光聚焦實(shí)現(xiàn)金剛石內(nèi)NV色心量子態(tài)的初始化。然后掃描輸入微波的頻率，并通過輻射天線作用到NV色心上。當(dāng)微波頻率與NV色心能級(jí)共振時(shí)，NV色心的m_s=±1態(tài)與m_s=0態(tài)布居數(shù)反轉(zhuǎn)，熒光強(qiáng)度下降。在成像區(qū)域內(nèi)隨微波頻率變化的熒光信號(hào)經(jīng)物鏡收集后由收集光路成像到sCMOS相機(jī)上。

在實(shí)驗(yàn)中通過sCMOS相機(jī)設(shè)定成像區(qū)域?yàn)镸×N個(gè)像素點(diǎn)，每次進(jìn)行圖片采集相當(dāng)于M×N個(gè)像素點(diǎn)同時(shí)進(jìn)行熒光信號(hào)探測(cè)。在所有頻點(diǎn)數(shù)據(jù)采集完成后，即得到完整的光探測(cè)磁共振譜（簡(jiǎn)稱ODMR譜），通過相應(yīng)的數(shù)據(jù)運(yùn)算把每個(gè)像素點(diǎn)的磁場(chǎng)強(qiáng)度解算出來。最后把每個(gè)像素點(diǎn)的位置與磁場(chǎng)強(qiáng)度對(duì)應(yīng)起來，用顏色區(qū)分各個(gè)像素點(diǎn)的磁場(chǎng)強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)二維磁場(chǎng)成像。

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2022年，國(guó)儀量子自主研制的“量子鉆石顯微鏡"面向全球發(fā)布，這是一款基于金剛石NV色心技術(shù)的、先進(jìn)的商用量子精密測(cè)量?jī)x器，具有高空間分辨率、大視野、成像速度快等優(yōu)勢(shì)，有望在古地磁領(lǐng)域產(chǎn)生新的科學(xué)增長(zhǎng)點(diǎn)。同時(shí)，在半導(dǎo)體、材料科學(xué)、細(xì)胞磁學(xué)、體外診斷等多個(gè)領(lǐng)域也具有廣闊的應(yīng)用前景。