近日，合肥工業大學電子科學與應用物理學院量子信息團隊利用渦旋光場（空間調制光場）實現了具有納米級分辨率的免校準矢量磁力計，相關成果以“Calibration-Free Vector Magnetometry Using Nitrogen-Vacancy Center in Diamond Integrated with Optical Vortex Beam”為題于2020年11月5日在線發表于美國化學會（ACS）旗下納米科學雜志《Nano Letters》。這一成果為納米尺度的矢量磁場探測提供了可快速實施的有效解決方案，具有重要的應用價值。
微觀磁場探測技術在凝聚態物理、生物、化學等領域有著非常重要的應用?；诮饎偸疦V色心的單量子探針可以在室溫下實現納米級分辨率的矢量磁場探測（如圖1），然而由于NV色心在金剛石中的分布是隨機的，在每次測量以前需要一個復雜的校準過程確定探針自身的方向。這一過程通常需要施加一個精確的磁場并連續改變其方向，導致基于金剛石NV色心的矢量磁探測在應用中較為困難。為解決這一問題，合肥工業大學量子信息團隊提出了一種基于渦旋光場的新方案，該方案利用渦旋光場照射NV色心，通過數值程序解析熒光圖案特征來推斷NV色心的實際方向，從而避免了通常實驗中的校準過程。此后只要選取不同方向的三個NV色心作為量子探針，就可以實現對未知磁場的矢量探測。
在實驗中，研究人員展示了不同NV色心在渦旋光場照射下的熒光圖案以及通過數值解析得到的NV方向信息（角度，如圖2），并演示了選取三個方向的NV色心實現矢量磁探測完整過程（如圖3）。此外，該工作還通過引入第四個方向NV色心的冗余信息來驗證了方案的正確性。陳冰副教授為該工作的第一作者，徐南陽教授為通訊作者，合肥工業大學為第一通信單位，中國科學技術大學王亞教授和杜江峰院士為共同通訊作者。
上述工作得到國家重點研發計劃、國家自然科學基金、中央高?；究蒲袠I務費等的資助。（通訊員：陳冰 王秀芹 趙金華）
