Searching spin-mass interaction using a diamagnetic levitated magnetic resonance force sensor
类轴子粒子（ALP）被预测为介导自旋和质量之间的奇异相互作用。我们提出了一个基于悬浮微机械振荡器的ALP搜索实验，这是一个最敏感的传感器在短距离的自旋质量力。该实验测试了极化电子自旋与抗磁悬浮微球之间的自旋质量共振相互作用。通过周期性地翻转电子自旋，可以消除来自非共振背景力的污染。悬浮的微振荡器可以预期地提高近$10^3$倍，目前的实验与质量范围为4 meV至0.4 eV的ALP的灵敏度。
2021-03-07 quant-ph
Spin Amplification for Magnetic Sensors Employing Crystal Defects
近年来，对基于金刚石中的晶体缺陷，特别是氮空位（NV）中心的磁场传感器的前景进行了一些理论和实验研究。这样的系统可以潜在地并入AFM类设备中，以便在单自旋水平上映射表面的磁性。在这封信中，我们提出了一个增强传感器组成的NV中心读出和“放大器”自旋系统，直接感测本地磁场。我们的计算表明，这种混合结构有可能检测磁矩的灵敏度和空间分辨率远远超过一个简单的NV中心，事实上，这可能是物理限制传感器的这一类。
2011-04-19 cond-mat.mtrl-sci quant-ph
Level anti-crossings of an NV center in diamond: Decoherence-free subspaces and 3D sensors of microwave magnetic fields
金刚石中的氮空位（NV）中心已成为量子技术的重要工具。所有这些应用都依赖于与这些中心相关的电子和核自旋的长相干时间。本文研究了在静态小磁场中金刚石中NV中心与第一壳层13 C核自旋耦合的能级反交叉。由于哈密顿量的强非长期分量，这些水平反交叉发生在静态磁场的特定方向上。在这些取向上，我们观察到了无退相干子空间，其中电子自旋相干时间（T_2 ~*）比其它取向上的长5-7倍。另一个有趣的性质，在这些水平的反交叉是，个别跃迁振幅占主导地位的磁偶极矩的一个单一的组成部分。因此，这可以用于具有单个NV中心的微波磁场的矢量检测。这对于使用数字最优控制技术精确控制中心尤其重要。
2019-08-21 quant-ph
Quantifying the advantage of vector over scalar magnetic sensor networks for undersea surveillance
RMIT University（皇家墨尔本理工大学）；Swinburne University of Technology（斯威本科技大学）
本文研究了矢量磁力计网络在水下监视中的优势，通过无滤波卡尔曼滤波方法发现其在目标跟踪精度和抗扰性方面优于标量磁力计网络。
2025-12-30 eess.SP quant-ph
Robust signals from a quantum-based magnetic compass sensor
一种基于量子的磁罗盘传感器，通过自由基对反应介导，已被建议作为候鸟从地磁场接收方向信息的感觉能力的基础。在这里，我们扩展了目前可用的模型，考虑在核自旋环境中的缓慢波动的影响方向信号。我们定量评估的鲁棒性的信号波动的时间尺度上长于一个自由基对的寿命，利用两种模型的自由基对。我们的研究结果表明，设计原则，建立一个径向对罗盘传感器，是强大的和高度的方向敏感。
2013-09-24 physics.bio-ph q-bio.BM quant-ph
Nanoscale electrometry based on a magnetic-field-resistant spin sensor
氮空位（NV）中心是一个潜在的原子级自旋电场传感器。然而，其对磁场的自然敏感性阻碍了对电场的有效检测。在这里，我们提出了一种利用连续动态解耦（CDD）技术的鲁棒电测方法。在CDD期间，NV中心在修饰状态空间中演化，其中传感器抵抗磁场但对电场保持敏感。作为一个例子，我们利用这种方法，通过测量修饰态之间的退相速率，从金刚石表面附近的复杂电磁环境中分离出电噪声。通过降低不同覆盖液体的表面电噪声，我们观察到的退相速率和液体的介电常数之间的明确的关系，这使得在金刚石表面附近的电噪声模型的定量调查。
2020-04-09 cond-mat.mes-hall quant-ph
SKIFFS: Superconducting Kinetic Inductance Field-Frequency Sensors for Sensitive Magnetometry in Moderate Background Magnetic Fields
我们描述了灵敏的磁力计使用集总元件谐振器从超导薄膜的NbTiN。利用大的动力学电感的超导体，我们证明了一个连续的共振频率偏移的$27$ MHz的磁场变化的$1.8~μ$ T内的垂直背景场为60 mT。通过使用相敏读出的微波传输通过传感器，我们测量相移实时与$1$度/nT的灵敏度。我们目前的测量噪声谱密度的传感器，并发现它们的场灵敏度至少是在一个到两个数量级的超导量子干涉器件工作在零背景场。我们的超导动态电感场频传感器可在至少0.2 T的中等垂直背景场存在下进行实时磁力测量。我们的传感器的应用包括长相干电子自旋共振测量和量子计算中磁场的稳定。
2018-10-11 physics.ins-det quant-ph
Mesoscopic magnetic resonance spectroscopy with a remote spin sensor
基于金刚石中氮空位（NV）中心的量子传感已发展成为一种强有力的工具，用于微观磁共振。然而，所报道的传感器到样品的距离被限制在几十纳米内，因为自旋波动的信号随着距离的增加而立方地减小。在这里，我们通过检测自旋极化而不是自旋波动将传感距离扩展到数十微米。我们测量了并五苯掺杂晶体的介观极化电子磁共振谱，测量了它的两个典型衰减时间，观察到了光增强自旋极化。这项工作为基于NV的介观磁共振光谱和环境条件下的成像铺平了道路。
2018-04-16 cond-mat.mes-hall quant-ph
Photonic-integrated quantum sensor array for microscale magnetic localisation
School of Electrical and Electronic Engineering, University of Sheffield（谢菲尔德大学电气与电子工程学院）
本研究将氮空位中心（NVs）与氮化硅光子集成电路集成，实现8个局域NV传感器的可扩展操作与独立读出，结合机器学习完成30μm针尖的微尺度磁定位（误差低于尺寸）及动态跟踪，为磁性微机器人监测等生物医学应用提供可行平台。
2025-11-14 physics.app-ph physics.optics quant-ph
Single-molecule Scale Nuclear Magnetic Resonance Spectroscopy using a Robust Near-Infrared Spin Sensor
University of Science and Technology of China（中国科学技术大学）；Zhejiang University（浙江大学）
本研究利用4H-SiC中的PL6量子缺陷开发出鲁棒近红外自旋传感器，实现了纳米级单分子核磁共振检测，为低维水相、蛋白质折叠动力学和分子相互作用研究提供了新平台。
2025-12-11 physics.bio-ph quant-ph
Wide-field quantitative magnetic imaging of superconducting vortices using perfectly aligned quantum sensors
本研究利用完美对齐的钻石量子传感器，实现了超导薄膜中涡旋杂散场的宽场定量成像，精度达±10%，为各种超导体的表征提供了准确且广泛适用的方法。
2023-10-24 cond-mat.supr-con quant-ph
Magnetic field imaging by hBN quantum sensor nanoarray
针对量子传感中纳米级近距布设传感器的难题，提出用氦离子显微镜在薄hBN中制备周期排布的V_B^-缺陷纳米阵列并紧密贴合目标的技术，实现突破衍射极限的高分辨磁场成像，灵敏度达73.6 μT/Hz^0.5，适用于量子材料研究。
2023-06-16 cond-mat.mes-hall physics.app-ph quant-ph
Camera-limits for wide-field magnetic resonance imaging of a nitrogen-vacancy spin sensor
利用金刚石中的氮空位中心进行灵敏的实时光学磁力测定依赖于对整个金刚石样品中的小（$\ll 10^{-2}$）分数荧光变化的精确成像。我们讨论了磁场灵敏度的限制，导致有限数量的光电子，相机可以记录在给定的时间。分析了几种类型的摄像头传感器，并估计了每种类型的最小可测量磁场变化。我们表明，最常见的传感器是在这样的应用中的有限使用，而某些高度特定的相机允许实现纳米级的灵敏度在$1$ ~s的组合曝光。最后，我们展示了锁定摄像头获得的结果，为在纳米特斯拉水平和微米分辨率的实时宽场磁力测量铺平了道路。
2017-08-21 physics.app-ph physics.ins-det quant-ph
New sensor for thermodynamic measurement of magnetization reversal in magnetic nanomaterials
设计并制造了一种用于小型磁系统热测量和热力学测量的传感器。它是基于一个5米厚的悬浮聚合物膜，它具有非常低的热容量（10-6 J/K在氮气温度），并在其上放置一个加热器和一个高灵敏度的温度计。传感器的特性已被表征为温度和频率的函数。在40 K-300 K温度范围内检测到小至1皮焦耳（10-12焦耳）的能量交换。这样的值对应于测量将沉积在膜上的非常薄的样品（通常为10 nm厚）中的磁化反转期间发生的热特征所需的值。预计这种方法将构成一个强大的工具，鉴于分析磁化反转过程中的磁性纳米系统，例如，表现出交换弹簧和交换偏置现象。
2006-08-21 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci quant-ph
Sensing of magnetic field effects in radical-pair reactions using a quantum sensor
磁场效应（MFE）在某些化学反应中已经在过去的五十年中得到了很好的证实，并且归因于瞬态自由基对的演化，其自旋动力学由局部和外部磁场决定。大多数现有的实验技术用于探测这些反应只提供系综平均的反应参数和自旋化学，阻碍了在单分子尺度上观察量子相干现象的潜在存在。在这里，考虑到一个单一的氮空位（NV）中心作为量子传感器，我们调查的前景和要求的检测自由基对自旋动力学在单个和小的分子系综。我们采用详细和现实的模型的根对，考虑到其耦合到本地自旋环境和传感器。对于两个模型系统，我们得到的信号MFE检测，即使在弱耦合制度之间的自由基对和NV量子传感器，并观察到某些人口的动态，以及相干元素，的密度矩阵的自由基对是直接可检测的。我们的研究将提供重要的指导方针，潜在的检测自旋化学的生物分子在单分子尺度上，需要见证假设的重要性，量子相干性在生物过程中。
2022-09-28 physics.chem-ph quant-ph
Solid state Stern-Gerlach spin-splitter for magnetic field sensoring, spintronics, and quantum computing
我们证明了二维拓扑绝缘体的边缘可以用来构造固态Stern-Gerlach自旋分裂器。通过用磁通量穿过这样的Stern-Gerlach装置，引入Ahranov-Bohm类干涉效应。使用铁磁引线，该装置可用于测量磁通量和作为自旋电子学开关。利用普通的金属引线，可以实现可切换的自旋电子学非门。此外，我们表明，这样的设备的序列可以用来构建一个单量子位$SU(2)$门，通用量子计算机所需的两个门之一。场灵敏度或开关场$b$与器件特征尺寸$r$至$b = \frac{\hbar}{qr^2}$相关，其中$q$是电荷的单位。
2015-09-17 cond-mat.mes-hall quant-ph
Single-atom transistor as a precise magnetic field sensor
费什巴赫共振允许调节超冷原子与外部磁场的相互作用，已被广泛用于控制量子气体的性质。我们提出了一种使用散射共振作为外场探测器的~方案，表明通过仔细调整参数，可以用一对原子达到$10^{-5}$ G（或nT）水平的精度。我们表明，对于我们的碰撞设置，有可能饱和的量子精度约束与一个简单的测量协议。
2018-01-04 cond-mat.quant-gas physics.atom-ph quant-ph
Resource-efficient adaptive Bayesian tracking of magnetic fields with a quantum sensor
Heriot-Watt University（赫瑞-瓦特大学）
单自旋量子传感器，例如基于金刚石中的氮空位中心，提供磁场的纳米级映射。在磁场可能快速变化的应用中，总感测时间至关重要，必须最小化。贝叶斯估计和自适应实验优化可以通过减少所需的测量次数来加快传感过程。这些协议包括基于测量结果计算和更新磁场的概率分布，以及确定下一次测量的优化采集设置。然而，输入到下一次迭代的测量设置中的计算步骤必须足够快地执行，以允许实时更新。本文通过实现近似贝叶斯估计技术来解决计算速度问题，其中概率分布由高斯函数的有限和近似。考虑到只需要三个参数来完全描述高斯密度，我们发现在许多情况下，磁场概率分布可以用不到十个参数来描述，与现有方法相比，计算时间减少了10倍。对于T2* = 1微秒，仅实现了计算时间的小幅减少。然而，在这些制度，建议高斯协议优于现有的跟踪精度。
2021-01-26 cs.LG quant-ph
Magnetic Actuation and Feedback Cooling of a Cavity Optomechanical Torque Sensor
我们展示了一个介观铁磁针与腔光机械扭转谐振器的集成，其用于定量确定针的磁特性，以及放大和冷却的谐振器运动。利用该系统，我们可以测量小至32 zNm的扭矩，相当于检测0.12 A/m（150 nT）的外部磁场。此外，我们能够提取的磁性样品的磁化强度（1710 kA/m），不知道一个先验，证明该系统的纳米磁性研究的潜力。最后，我们表明，我们可以磁驱动的扭转谐振器进入再生振荡，并阻尼其机械模式温度从室温到11.6 K，而不牺牲转矩灵敏度。
2017-07-29 cond-mat.mes-hall physics.app-ph quant-ph
Quantum theory of a potential biological magnetic field sensor: radical pair mechanism in flavin adenine dinucleotide biradicals
本研究针对FAD可能作为生物磁场传感器的现象，建立其双自由基自由基对机制的量子理论模型，结合分子动力学模拟与量子主方程，可预测全磁场范围的瞬态吸收信号，结果与实验相符。
2024-06-18 physics.bio-ph physics.chem-ph quant-ph
All-Optical Nonzero-Field Vector Magnetic Sensor For Magnetoencephalography
Ioffe Institute, Russian Academy of Sciences（俄罗斯科学院物理技术研究所）
本文提出了一种全光矢量磁场传感器方案，用于生物应用如非零场脑磁图和心磁图，通过测量两束激光在正交方向引入细胞中的共振信号幅度比和相位差，实现高灵敏度检测。
2023-03-28 physics.app-ph physics.med-ph physics.optics
Millimetre-scale magnetocardiography of living rats using a solid-state quantum sensor
心脏病学中的一个关键挑战是在心内尺度上对心血管系统中发生的电流传播进行无创成像。一个有前途的方法，直接映射的电流动态是监测相关的杂散磁场。然而，在这种磁场方法中，随着目标和传感器之间的间隔距离增加，空间分辨率显著恶化。现有的传感器通常保持相对远离目标，并且仅提供厘米级分辨率，因为它们的操作温度不是生物相容的。在这里，我们展示了毫米级的心磁图的活体大鼠使用基于金刚石中的氮空位中心的固态量子传感器。该方法的本质是从传感器到心脏表面的毫米接近度，这将心脏磁场增强到大于纳特斯拉，并允许以心内分辨率映射这些信号。从所获得的磁图像，我们还估计源电流矢量，从右心房底部通过浦肯野纤维束流到左心室心尖。我们的研究结果建立了固态量子传感器探测哺乳动物心脏磁信号的能力，并揭示了他们的心内电动力学。这项技术将使研究的起源和发展的无数心律失常，包括扑动，纤维性颤动和心动过速。
2021-05-25 physics.app-ph physics.med-ph quant-ph
Machine-learning-enhanced quantum sensors for accurate magnetic field imaging
The University of Tokyo（东京大学）
磁场的局部检测对于表征纳米和微米材料至关重要，并且已经使用各种扫描技术甚至金刚石量子传感器来实现。金刚石纳米颗粒（纳米金刚石）提供了一个有吸引力的机会，以实现高空间分辨率，因为它们可以很容易地接近目标在几个10 nm内，只需将它们附着到其表面。这种随机取向的纳米金刚石系综（NDE）的物理模型是可用的，但实际实验条件的复杂性仍然限制了推导磁场的准确性。在这里，我们展示了具有1.8 $μ$ T高精度的磁场成像，结合了NDE和机器学习，而无需任何物理模型。我们还发现了磁场方向的NDE信号的依赖性，建议潜在的应用矢量磁强计和现有模型的改进。我们的方法进一步丰富了NDE的性能，以实现可视化原子层材料中的介观电流和磁性的准确性，并扩展了在任意形状的材料，包括活生物体中的适用性。这一成就将连接机器学习和量子传感，以实现精确测量。
2022-02-01 cond-mat.mtrl-sci cs.LG quant-ph
Imaging magnetism evolution of magnetite to megabar pressure range with quantum sensors in diamond anvil cell
本研究突破压力限制，开发出基于金刚石对顶砧量子传感器的兆巴级高灵敏度原位磁探测技术，观测到Fe₃O₄的多步磁性转变，为高压块体材料磁微观结构研究及相关机制理解提供新方法。
2023-06-13 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph quant-ph
Nanoscale Mapping of Magnetic Auto-oscillations with a single Spin Sensor
针对单个SHNO器件自振荡模式底层机制不明的问题，研究利用单自旋量子传感器实现纳米级磁自振荡成像，发现自振荡点由磁场最小值决定，为器件工程设计提供支撑。
2024-06-22 cond-mat.mes-hall physics.app-ph physics.optics
Additive manufacturing of magnetic shielding and ultra-high vacuum flange for cold atom sensors
最近在理解和控制量子技术方面取得的进展，例如基于冷原子的技术，已经产生了具有非凡灵敏度的设备。为了在实验室环境之外实现这一潜力，需要减小尺寸、重量和功耗。在这里，我们展示了激光粉末床融合（一种增材制造技术）的使用，作为构成量子传感器的组件的生产技术。作为示范，我们使用增材制造构建了两个关键组件，即磁屏蔽和真空室。磁屏蔽的初始原型显示屏蔽因子在常规方法的3倍内。真空演示设备表明，3D打印的钛结构适合用作真空室，测试系统达到$5 \pm 0.5 \times 10^{-10}$ mbar的基础压力。这些演示显示出将增材制造用于基于冷原子的量子技术的相当大的前景，在未来能够实现改进的集成结构，从而减少尺寸，重量和组装复杂性。
2018-01-09 physics.app-ph physics.atom-ph physics.ins-det
