超硬材料网

       在弗劳恩霍夫应用固体物理研究所（IAF）的实验室里，一种基于金刚石的神奇传感器正在改变我们感知世界的方式。它利用金刚石晶格中独特的氮空位（NV）中心，以前所未有的精度捕捉最微弱的磁场信号。这项突破性技术不仅体积小巧，更拥有颠覆多个领域的潜力。

        独特原理与显著优势

        金刚石晶格中 NV 中心沿四个晶轴排列这一独特性质，赋予了基于金刚石的 NV 矢量磁力仪强大功能。只需使用由（100）金刚石制成的单个传感器芯片，就能检测磁场的所有矢量分量。这一特性极大地减少了复杂校准的需求，突破了传统磁力仪的限制，为测量技术带来了重大进步。

        弗劳恩霍夫 IAF 量子设备业务部经理 Michael Stoebe 博士称赞道：“基于金刚石的 NV 矢量磁力仪的独特之处在于其原生且直观的功能，使其能够在大多数工作条件下精确测量地球磁场的矢量分量。这使得该传感器不仅是一项技术创新，更是传感器技术的重大进步。”这种微型测量系统为神经通路的生化分析和微电子中的精密测量等需要高精度读数和最小干扰的应用开辟了新路径。

        持续创新，提升性能

        弗劳恩霍夫 IAF 的研究人员不断追求卓越，在短短一年内成功将集成量子磁力仪的尺寸缩小了 30 倍。如今，传感器头更为紧凑，尺寸与工业界常用的传统光泵浦气室磁力仪（OPM）相当，同时保持了皮特斯拉级的高灵敏度。该基于金刚石的系统坚固耐用，测量范围宽广，相较于竞争技术优势显著，能适应各种测量场景且只需极少的校准。

        Michael Stoebe 博士强调：“我们正在努力实现更高的集成密度，同时提高灵敏度。明年的目标是将传感器尺寸再次缩小 5 倍，进一步提高灵敏度，以实现亚皮特斯拉范围内的测量。”此外，集成量子磁强计具备可选的水冷功能，即使在严苛的操作条件下也能稳定可靠地测量磁场，其设计和集成的灵活性使其脱颖而出。

        在传感器核心部件——氮空位（NV）掺杂的金刚石传感头方面，弗劳恩霍夫 IAF 也在不断增强。这种合成金刚石在研究所的专用反应堆中生长，通过精确用氮原子取代碳原子转化为量子器件。目前，研究所计划明年将目前的两英寸超纯金刚石晶片扩展到四英寸晶片，以实现工业规模生产。弗劳恩霍夫 IAF 项目经理 Michael Kunzer 博士表示：“我们采用面向应用的方法来持续开发我们的传感器系统，并满足对我们系统提出的个性化要求。”

        无GPS导航：突破信号限制

        当今的导航系统虽精度高、覆盖范围广，但易受干扰且并非在所有地方都可用。因此，独立于全球导航卫星系统（GNSS）运行的替代导航方法愈发重要。地球磁场因具有区域差异，可作为自主导航的隐形地图，尤其在 GPS 信号中断或难以接收的地区。

        弗劳恩霍夫 IAF 开发的量子传感器能够创建全面的磁场地图，为可靠导航提供基础。矢量磁力仪提供了一种自主、无干扰的全球定位和导航方法，可补充卫星导航，无需卫星信号即可在水下、峡谷、地下、建筑物内或隧道内工作。

        对于在矿道深处作业的矿工、幽暗隧道里的工程人员以及水下执行特殊任务的潜水员来说，长期以来受全球卫星定位系统信号薄弱或缺失的困扰。这项技术让他们有望摆脱对外置卫星的依赖，拥抱更可靠安全的导航手段。同时，该技术还可应用于探寻地下矿藏、搜寻埋藏弹药，为资源开发与排除险情提供有力支持。

        快速、非接触式地质测量：守护安全与资源

        利用与导航相同的原理，通过地壳的成分及其磁场可推断地质构造，探测磁异常（如矿床）或金属物体（如未爆炸弹药）。弗劳恩霍夫应用物理研究所（IAF）开发的量子磁力仪能够精确、非接触式地定位地下矿藏，获取宝贵资源，还能探测大面积未爆炸弹药，显著降低受影响地区居民的风险。

        收集到的数据可转换成磁力图，显示可疑物体的位置，并提供有关其深度、形状和大小的信息。这种方法能对受影响区域进行全面、非侵入性的探测，甚至可定位深藏的物体。

        未来展望

        这项技术未来发展仍面临诸多挑战。如何将传感器探测灵敏度推向新高度、进一步实现小型化和高度集成、切实降低生产成本以实现广泛应用，都是亟待解决的关键问题。

        从替代GPS导航到探测地下资源，再到守护生命安全，这颗基于量子技术的“金刚石之心”正悄然重塑多个领域。随着体积不断缩小、精度持续提升，这种融合尖端材料与量子物理的传感器，正在为人类打开一扇感知世界的新窗口。