通过旋转扩散纳米金刚石中氮 - 空位中心的量子控制实现纳米尺度磁测量

量子物理学与生物学的融合正在推动新一代基于量子的传感与成像技术的发展，该技术能够利用量子效应提供工具以理解生命的基本过程。在这一领域中最具前景的系统之一是金刚石中的氮 - 空位（nitrogen-vacancy）中心——一种天然的自旋量子比特，其显著具备在环境生物条件下进行纳米尺度传感的所有必要属性。通常，氮 - 空位量子比特被固定在严格控制或隔离的实验条件下。在本工作中，我们针对随机扩散的金刚石纳米晶体开发了氮 - 空位磁测量的量子控制原理。我们发现，由于纳米金刚石的旋转而积累的几何相位，在将扩散纳米金刚石应用于生物标记和磁测量中起着至关重要的作用。具体而言，我们表明，自由扩散的纳米金刚石除了作为荧光生物标记物运行外，还能在连续光探测磁共振监测之外，提供关于局部磁场及其自身旋转行为的实时信息。