- 新型鑽石量子傳感器能提升腦機介面控制精度至 590 倍。
- 該技術利用 NV 中心檢測微弱磁場，具有高靈敏度。
- 研究顯示該傳感器可用於醫療測試及導航等多種應用。
- 目前技術仍在開發中，尚未進行實際測試。
德國科學家最近展示了一款基於鑽石的新型量子傳感器，該設備有潛力使癱瘓人士僅憑意念便可控制機械外骨骼。這項研究由弗賴堡應用固態物理研究所（Fraunhofer Institute for Applied Solid State Physics IAF）的研究團隊開發，該傳感器利用鐳射系統高靈敏度地檢測微弱的磁場。與現有技術相比，該設備實現了 100% 的光學對比度，並在靈敏度與測量範圍之間提高了高達 590 倍的平衡。
該項目的負責人為該研究所的研究員 Jan Jeske 博士，他領導了該研究的量子傳感組。Jeske 於十年前首次提出使用含氮空位（NV）中心的鑽石鐳射系統的理論模型。Jeske 解釋道：「我非常高興我們現在實驗上證明瞭鐳射閾值的磁場依賴性偏移。」這種傳感器的應用可能包括腦-電腦介面、醫療測試、導航以及資源勘探。
新技術的原理與應用
檢測磁場的傳感器對於非常微弱的磁場測量範圍有限，而範圍更廣的傳感器通常靈敏度較低。因此，研究團隊創建了一種名為鐳射閾值磁測量的技術。該技術依賴於 NV 中心，這本質上是鑽石晶體中的微小缺陷，能對磁場作出反應。當氮原子取代鑽石中的碳原子時，便形成一個 NV 中心，並留下相鄰的位置為空。傳統的鑽石量子傳感器測量這些缺陷所發出的熒光光。新技術則將鑽石直接放置於鐳射腔內。
NV 中心與鐳射的光場相互作用，導致磁場變化影響鐳射的輸出。在某些條件下，這些變化甚至可以使鐳射關閉，實現 100% 的光學對比度。相比之下，大多數基於 NV 的磁傳感器通常僅能實現幾個百分比的對比。
該系統可以產生功率高達 50 毫瓦 (mW) 的鐳射信號，這比傳統傳感器的信號強得多。計算結果表明，該技術在理想的光子拍噪聲限制下，能夠發現每個三個磁場部分的靈敏度低於 400 飛 Tesla (fT) 每平方根赫茲 (Hz) 的極微弱磁場。根據研究小組的說法，除了改善磁場測量外，該發現還可能幫助癱瘓人士。這些信號最終可能通過腦-電腦介面傳輸，以控制機械外骨骼。其他可能的用途還包括檢測來自心臟和肌肉的微弱磁信號、提高導航精度以及探測地下磁異常。
技術發展的挑戰與前景
然而，該技術仍在開發中，尚未進行測試。弗勞恩霍夫 IAF 的博士研究員、該研究的第一作者 Florian Schall 在新聞發布會上表示：「我們的方法可能解決了長期以來限制磁場傳感器發展和應用的權衡。」他補充道：「這將為新一代移動、高靈敏度的磁場傳感器鋪平道路。」該研究已發表於《自然通訊》期刊。
新型量子傳感器的潛在影響
這款新型鑽石量子傳感器的研發，標誌著在腦機介面的技術進步，能夠讓癱瘓人士更精確地控制機械外骨骼，顯示出其在醫療領域的潛力。此外，該技術的高靈敏度與光學對比度的提升，可能改變現有磁場測量的標準，拓展其在導航及資源勘探等領域的應用。然而，技術仍在開發階段，未來的實際應用仍需進一步測試與驗證。