德国科学家研发新型钻石量子传感器 提升脑机接口控制精度至 590 倍

德国科学家最近展示了一款基于钻石的新型量子传感器，该设备有潜力使瘫痪人士仅凭意念便可控制机械外骨骼。这项研究由弗赖堡应用固态物理研究所（Fraunhofer Institute for Applied Solid State Physics IAF）的研究团队开发，该传感器利用激光系统高灵敏度地检测微弱的磁场。与现有技术相比，该设备实现了 100% 的光学对比度，并在灵敏度与测量范围之间提高了高达 590 倍的平衡。

该项目的负责人为该研究所的研究员 Jan Jeske 博士，他领导了该研究的量子传感组。Jeske 于十年前首次提出使用含氮空位（NV）中心的钻石激光系统的理论模型。Jeske 解释道：“我非常高兴我们现在实验上证明了激光阈值的磁场依赖性偏移。”这种传感器的应用可能包括脑-计算机接口、医疗测试、导航以及资源勘探。

新技术的原理与应用

检测磁场的传感器对于非常微弱的磁场测量范围有限，而范围更广的传感器通常灵敏度较低。因此，研究团队创建了一种名为激光阈值磁测量的技术。该技术依赖于 NV 中心，这本质上是钻石晶体中的微小缺陷，能对磁场作出反应。当氮原子取代钻石中的碳原子时，便形成一个 NV 中心，并留下相邻的位置为空。传统的钻石量子传感器测量这些缺陷所发出的荧光光。新技术则将钻石直接放置于激光腔内。

NV 中心与激光的光场相互作用，导致磁场变化影响激光的输出。在某些条件下，这些变化甚至可以使激光关闭，实现 100% 的光学对比度。相比之下，大多数基于 NV 的磁传感器通常仅能实现几个百分比的对比。

该系统可以产生功率高达 50 毫瓦 (mW) 的激光信号，这比传统传感器的信号强得多。计算结果表明，该技术在理想的光子拍噪声限制下，能够发现每个三分之一磁场部分的灵敏度低于 400 飞 Tesla (fT) 每平方根赫兹 (Hz) 的极微弱磁场。根据研究小组的说法，除了改善磁场测量外，该发现还可能帮助瘫痪人士。这些信号最终可能通过脑-计算机接口传输，以控制机械外骨骼。其他可能的用途还包括检测来自心脏和肌肉的微弱磁信号、提高导航精度以及探测地下磁异常。

技术发展的挑战与前景

然而，该技术仍在开发中，尚未进行测试。弗劳恩霍夫 IAF 的博士研究员、该研究的第一作者 Florian Schall 在新闻发布会上表示：“我们的方法可能解决了长期以来限制磁场传感器发展和应用的权衡。”他补充道：“这将为新一代移动、高灵敏度的磁场传感器铺平道路。”该研究已发表于《自然通讯》期刊。

新型量子传感器的潜在影响

这款新型钻石量子传感器的研发，标志着在脑机接口的技术进步，能够让瘫痪人士更精确地控制机械外骨骼，显示出其在医疗领域的潜力。此外，该技术的高灵敏度与光学对比度的提升，可能改变现有磁场测量的标准，拓展其在导航及资源勘探等领域的应用。然而，技术仍在开发阶段，未来的实际应用仍需进一步测试与验证。