近日，合肥工業(yè)大學(xué)電子科學(xué)與應(yīng)用物理學(xué)院量子信息團(tuán)隊利用渦旋光場（空間調(diào)制光場）實現(xiàn)了具有納米級分辨率的免校準(zhǔn)矢量磁力計，相關(guān)成果以“Calibration-Free Vector Magnetometry Using Nitrogen-Vacancy Center in Diamond Integrated with Optical Vortex Beam”為題于2020年11月5日在線發(fā)表于美國化學(xué)會（ACS）旗下納米科學(xué)雜志《Nano Letters》。這一成果為納米尺度的矢量磁場探測提供了可快速實施的有效解決方案，具有重要的應(yīng)用價值。
微觀磁場探測技術(shù)在凝聚態(tài)物理、生物、化學(xué)等領(lǐng)域有著非常重要的應(yīng)用。基于金剛石NV色心的單量子探針可以在室溫下實現(xiàn)納米級分辨率的矢量磁場探測（如圖1），然而由于NV色心在金剛石中的分布是隨機(jī)的，在每次測量以前需要一個復(fù)雜的校準(zhǔn)過程確定探針自身的方向。這一過程通常需要施加一個精確的磁場并連續(xù)改變其方向，導(dǎo)致基于金剛石NV色心的矢量磁探測在應(yīng)用中較為困難。為解決這一問題，合肥工業(yè)大學(xué)量子信息團(tuán)隊提出了一種基于渦旋光場的新方案，該方案利用渦旋光場照射NV色心，通過數(shù)值程序解析熒光圖案特征來推斷NV色心的實際方向，從而避免了通常實驗中的校準(zhǔn)過程。此后只要選取不同方向的三個NV色心作為量子探針，就可以實現(xiàn)對未知磁場的矢量探測。
在實驗中，研究人員展示了不同NV色心在渦旋光場照射下的熒光圖案以及通過數(shù)值解析得到的NV方向信息（角度，如圖2），并演示了選取三個方向的NV色心實現(xiàn)矢量磁探測完整過程（如圖3）。此外，該工作還通過引入第四個方向NV色心的冗余信息來驗證了方案的正確性。陳冰副教授為該工作的第一作者，徐南陽教授為通訊作者，合肥工業(yè)大學(xué)為第一通信單位，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)王亞教授和杜江峰院士為共同通訊作者。
上述工作得到國家重點(diǎn)研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金、中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)等的資助。（通訊員：陳冰 王秀芹 趙金華）
