利用氮-空位色心测量弱静态磁场

我们提出了一种利用金刚石中的氮-空位色心测量弱静态磁场的策略。受鸟类磁感受模型的启发，我们考虑了利用量子相干现象测量弱静态磁场的可行性。氮-空位（NV）色心因其长达毫秒量级的相干时间而被视为研究量子科学的理想平台。在高纯度金刚石中，与13C核自旋的超精细相互作用主导了退相干过程。在本文中，我们数值模拟了在不同外部磁场强度下，处于13C核自旋浴中的单个NV色心自旋在0和+1态之间的退相干过程。通过对系统施加Hahn回波，我们获得了NV色心自旋相干性作为总演化时间和磁场的函数。此外，我们得到了三个退相干特征时间尺度，即 $T_W$、$T_R$、$T_2$，与磁场 $B$ 之间的高精度关系。我们得出结论，在这三个时间尺度中，$T_R$ 对磁场的灵敏度最高。因此，对于特定的NV色心，$T_R$ 可以作为磁场大小，或者更确切地说，是沿NV电子自旋轴分量的标度。当测量未知磁场时，我们将NV轴分别调整到三个相互正交的方向。通过这种方法，我们获得磁场的三个分量，从而得到实际磁场的大小和方向。精度可达 60 nT/Hz^{1/2}，并且可以通过使用NV色心系综或用12C原子纯化的金刚石晶体来大幅提高。