2026年7月23日——东京科学大学的研究人员开发出一种基于拉姆齐方法的金刚石量子磁力计，能够在保证热安全性的前提下实现高灵敏度的生物磁测量。通过使用低功率激光、光捕获金刚石波导以及紧凑型微波天线，传感器在距离样本仅2毫米时，温升仅为13 K，能够探测到皮特斯拉级（10^-12 T）的磁场。该传感器可实现安全且近距离的生物磁测量，为未来心磁图和脑磁图应用奠定了基础。

克服生物磁传感中的热屏障

当电流流经心脏、大脑及其他组织时，人体会产生极其微弱的磁场。这些信号分别用于心磁图和脑磁图，以评估心脏功能和大脑活动。利用含有氮空位（NV）中心的金刚石传感器，可在室温下探测到这些磁场。在NV中心中，一个碳原子被一个氮原子取代，并紧邻一个空晶格位点。

然而，传统的NV中心传感器通常需要瓦特级激光器来探测通常低于皮特斯拉水平的极弱生物磁场。这些高功率激光器会产生大量热量，限制了传感器与生物组织之间的放置距离。由于生物磁场会随距离增加而迅速减弱，因此克服热与近距离挑战对于实现实用的生物磁传感至关重要。

由日本东京科学大学工学院电气与电子工程系教授岩崎孝之领导的团队，开发了一种仅使用210毫瓦低功率激光器的金刚石量子磁力计。新型传感器将其温升限制在仅13 K，同时可放置在距样本仅2毫米的位置，从而在保证热安全性的前提下实现近距离生物磁测量。

团队成员还包括来自同一研究所的博士生荒木雄太、研究员关口武治及特聘教授波多野睦子；日本国立材料研究所（NIMS）电子与光学材料研究中心半导体缺陷设计组组长寺地得木；日本量子科学技术研究开发机构（QST）高崎先进量子科学研究所量子材料与应用研究中心（QUARC）中心主任大岛武；以及日本电装株式会社（DENSO CORPORATION）先进研究与创新中心部门经理柴田隆之。该论文将于2026年7月22日发表在《Applied Physics Letters》上，并被该期刊选为“专题文章”。该论文还将被收录在美国物理联合会（AIP）的科学新闻媒体Scilight中。

岩崎表示：“这项成果通过同时实现室温操作、低发热和短程传感，标志着向利用金刚石量子传感器进行实用生物磁测量迈出了重要一步。”

该传感器包含一块含有大量带负电NV中心的金刚石。它采用拉姆齐干涉测量法运行，在此方法中，NV中心的量子自旋态会在两个微波脉冲之间演化。激光脉冲用于初始化和读取自旋态，从而确定磁场强度。为了在低功率激光下保持高灵敏度，研究人员需要更高效地利用激发光。为此，他们设计了一种光捕获金刚石波导，通过反复的全内反射将激光引导通过金刚石。这使得激光光能与更多NV中心相互作用，在不增加激光功率的情况下产生更强的荧光。最终，该系统在210毫瓦的入射激光功率下收集了约20毫瓦的荧光，对应光学功率转换效率为9.5%。这种效率使传感器能够以比通常用于生物磁测量的激光功率低约十倍的功率运行。

研究人员还设计了一种紧凑的印刷电路板微波天线，使传感器能够放置在距样本仅2毫米的位置。这些设计改进共同使传感器在100–400 Hz频率范围内达到了约3 pT/√Hz的磁场灵敏度，同时将金刚石温度维持在约38°C，安全地低于42°C的生物热痛阈值。

当使用模拟大脑磁信号的干燥体模进行测试时，该传感器成功在约2.5毫米的传感器-样本距离下探测到了77.7 pT的磁场。

所提出的基于拉姆齐方法的传感器克服了传统上限制脉冲量子传感的热局限，证明高灵敏度的生物磁测量可以在近距离下安全进行，使其成为未来生物磁传感应用的一个有前景的平台。

岩崎表示：“我们预计这项工作将成为量子传感领域的一个关键里程碑，证明了实用、高灵敏度的脉冲测量在生物应用中是可行的。”