近日，物理学院量子精密测量实验室陈冰课题组利用离子注入技术制备了用于芯片检测的金刚石传感器，揭示了金刚石色心传感器的电荷态特性，实现了基于自旋的超高灵敏度和分辨率的量子磁场探测，为量子精密测量技术在集成电路与芯片的检测提供了一种新的思路。相关成果以：(1)“Doping optimization of charge state stability for shallow nitrogen-vacancy center ensembles in HPHT diamonds”发表在Appl. Phys. Lett. 126, 244004 (2025); (2) “Singlet state mediated charge and spin dynamics in nitrogen-vacancy centers in diamond”发表在Phys. Rev. B 111, 224108 (2025); (3) “Robust 1-μm-Resolution Magnetic Probe Enabled by Optical Trapping of Nanodiamonds on a Tapered Fiber” 发表在Nano Lett. 25, 10572–10578 (2025)。

        图：(a)利用离子注入技术制备了用于芯片检测的金刚石传感器;(b)揭示了金刚石色心传感器的电荷态特性;(c)实现了基于自旋的超高灵敏度和分辨率的量子磁场探测。

金刚石中氮-空位（NV）色心物理、电子信息等领域中作为关键量子传感器的广泛应用，高质量、高浓度浅层NV色心样品的大规模制备成为迫切需求。本文通过对不同注入样品的光探测磁共振测试，系统分析了浅层NV色心的自旋与电荷态特性，发现氮离子注入剂量对NV⁻数量、电荷态及其稳定性具有显著影响。通过控制注入剂量在2×10¹³-8×10¹³ ions/cm²范围内，成功制备出高质量金刚石量子传感器。该工作发表于Appl. Phys. Lett. 126, 244004 (2025)，硕士研究生吴琴为论文第一作者，博士研究生方蝶为共同第一作者，范经纬副研究员和陈冰教授为论文共同通讯作者。

金刚石中氮-空位（NV）色心量子传感器在激光激发下的电荷与自旋动力学是量子精密测量领域的关键科学问题。通过实验首次发现一种新的电荷转换路径，即在高激光功率下，NV中性态（NV⁰）可直接跃迁至负电荷态（NV⁻）的单线态体系。揭示了单线态在电荷-自旋相互作用中的核心作用，有助于深化对NV色心光学过程的理解，为提升其自旋读出效率和发展高灵敏量子传感器提供了理论基础和新思路。该工作发表于Phys. Rev. B 111, 224108 (2025)，钱鹏副教授为论文第一作者，钱鹏副教授和陈冰教授为论文共同通讯作者。

高分辨率磁场扫描对于研究纳米尺度自旋系统和表征微电子器件中的缺陷具有重要意义。团队提出了一种无需微纳加工的稳健磁探针构建方法，通过结合纳米金刚石中氮-空位（NV）色心的量子磁敏感性与锥形光纤的高光子效率，实现了1微米空间分辨率的磁场探测。该方法采用光学梯度力将纳米金刚石精确捕获并定位于光纤尖端，随后通过范德华力将其稳定固定，无需复杂的微纳制造工艺，该方法可拓展用于微小磁结构或微电路的磁场测量，充分利用锥形光纤的集成光子增强效应，实现高信噪比的稳定磁传感。该工作发表于Nano Lett. 25, 10572–10578 (2025)，博士研究生方蝶为第一作者，范经纬副研究员和陈冰教授为论文共同通讯作者。

该系列研究工作得到了科技部重点研发计划青年项目、国家自然科学基金、省重大科技攻关项目、合肥工业大学中央高校基本科研业务费等项目的资助。

文章链接：https://doi.org/10.1063/5.0264044

文章链接：https://doi.org/10.1103/t3df-xskv

文章链接：https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.5c02307

图/文 范经纬 审核/高伟清