探测磁场中极其微小的变化是一项极具挑战性的任务，但其重要性不可忽视，因为其对于医疗诊断、电动汽车技术等领域具有深远的影响。即使磁场中出现的细微变化，也会揭示潜在问题，例如，电池性能衰退的早期迹象。因此，需要在这些潜在问题造成严重损害之前，就将其发现。

据外媒报道，东京科学大学（Institute of Science Tokyo）的研究人员研发了一种新型量子传感器，能够以超高精度探测此类微小的变化。通过借助量子力学原理，此类传感器有望变革医学、能源和材料科学等领域。

金刚石量子传感器（图片来源：东京科学大学）

金刚石量子传感器

金刚石量子传感器是量子传感器中最具发展前景的传感器，其基于金刚石中氮空位中心结构打造。氮空位，顾名思义，指的是在金刚石原本以碳为基础的晶格中，氮原子取代了一个碳原子，从而在该氮原子旁边形成了一个晶体结构的空位。

东京科学大学教授兼该研究的首席作者Mutsuko Hatano表示：“此种基于金刚石的量子传感器具有动态范围广、灵敏度高以及应用范围多样等优点。”

增加的氮原子与周围的碳晶格之间的相互作用，在该空位附近形成了独特的量子态，此种状态对磁场表现出灵敏性，从而导致此类中心成为优异的磁场传感器。

当受到绿色激光灯照射时，此类中心会发射出红色的荧光，其发光强度随着磁场强度的变化而变化。通过利用此类红色荧光的强度，磁场的强度得以精确测定。

大规模量产量子传感器

尽管量子传感器拥有很大的潜力，但其高昂的成本和复杂的制造过程使得扩大生产规模以实现其商业应用仍然十分困难。

此外，尽管市场上存在天然金刚石，但其高昂的价格以及含有的化学杂质使其并不适合此类应用。高质量传感器的制造通常采用在金刚石基底上逐层沉积碳原子，而且会利用微波将气体分解成原子状态。该工艺能够生产出精确传感器所需的完美有序晶格结构，不过，此制造过程非常耗时，而且成本高昂。

为了降低金刚石传感器的制造成本，简化生产，Hatano及其团队设计了一种特制的金刚石生长工艺。采用该方法，在非金刚石基底上沉积金刚石层可显著降低生产成本。

在金刚石形成的特定阶段，一旦高度有序的晶格结构已经形成，氮会被引入到此种气体混合物中。当氮与金刚石晶格互相作用，就会形成排列整齐且分布均匀的氮空位中心，此种现象已经通过详细的微观分析得到验证。

监测电动汽车电池的电流

量子传感器对磁场表现出的灵敏度，结合该研究团队研发的新型高效生产工艺，使其成为监测电动汽车电池电流的理想选择，这对于推动清洁能源解决方案的发展具有重要意义。

当电流从电池中流出时，会产生磁场。将测量误差与实际电流水平最小化可以最大程度地提高电池的可靠性。该研究团队通过构建一个模拟真实电动汽车引擎的设置，并在其中安装了此种传感器，以监测磁场测量值与精确值之间的偏差，从而对该传感器进行了测试。此种偏差可能会导致电池过度充电或过度放电，或者产生其他影响其性能和使用寿命的问题。

最终的测试结果令人惊叹，与其他传感器相比，此类传感器可以在晶圆级大规模生产成本的基础上制造出来，还能够探测到电流最细微的波动，从而识别系统功率使用情况与最优值之间的任何偏差。

下一步，实地测试

虽然实验室测试已取得显著成果，研究人员们仍表示，实际环境中的条件会带来更多的挑战。Hatano教授表示：“我们计划在未来几年内对金刚石量子传感器进行实地测试，并在运行中的电动汽车上进行测试。在实际现场环境中，较大的噪音可能会给量子传感器的灵敏度和精度带来局限性。不过，通过增强此类传感器的信号强度，即可克服该挑战。具体方法包括利用电子束照射金刚石传感器，以增加氮空位中心的数量，并通过改进光学系统提高荧光收集的效率。”