研究人员创造了先进的纳米钻石传感器，具有氮空位（NV）中心，这些中心在量子传感和生物成像应用中具有显著的亮度和自旋特性。这些新型纳米钻石的性能超越了现有的商业选项，所需能量减少20倍，量子态保持时间延长11倍。它们对磁场和温度的敏感性提高，为多种应用提供了精确度，包括疾病筛查、电池评估和电子设备中的热调节。这标志着在利用纳米技术进行量子传感，特别是在生物和工业领域方面的一次显著进步。
量子传感是一个新兴的研究领域，它利用粒子的量子特性——如叠加、纠缠和自旋状态——来识别物理、化学或生物环境的变化。一种显著的量子纳米传感器由嵌入氮空位（NV）中心的纳米钻石（ND）组成。这些中心是通过将一个碳原子替换为靠近钻石结构中晶格空位的氮原子而形成的。当被照射时，NV中心发射能够保持稳定自旋信息的光子，并对外部因素，如磁场、电场以及温度，产生敏感反应。
这些自旋状态的变化可以通过光学检测的磁共振（ODMR）进行监测，该方法在微波辐射下捕获荧光变化。含有NV中心的ND具有生物相容性，可以定制与某些生物分子进行相互作用，使其成为生物检测的优良工具。然而，传统上用于生物成像的ND与大块钻石相比，往往表现出较差的自旋质量，导致测量的灵敏度和精度降低。
最近，日本冈山大学的研究人员取得了突破，开发了足够明亮的纳米钻石传感器，以用于生物成像，具备与大块钻石相似的自旋特性。这项研究于2024年12月16日发表在《ACS Nano》杂志上，由冈山大学的研究教授藤原雅文主导，并与住友电气工业公司和国家量子科学与技术研究所合作。
藤原教授表示：“这标志着首个展示出具备极高质量自旋的量子级ND的成果，这是这一领域期待已久的进展。这些ND具备对量子生物传感及其它复杂应用具有高度渴望的属性。”
目前用于生物成像的ND传感器面临两个关键挑战：自旋杂质水平过高干扰NV自旋状态，以及表面自旋噪声导致这些自旋状态的快速不稳定化。为了解决这些问题，团队集中精力制造杂质含量极低的高质量钻石。他们培养了富含99.99% 12C碳原子的单晶钻石，并随后添加了控制量的氮（30-60百万分之一），以生成约1百万分之一的NV中心。然后将这些钻石研磨成ND并分散在水中。
结果得到的纳米钻石平均大小为277纳米，包含0.6-1.3百万分之一的负电荷NV中心。它们表现出强大的荧光，达到了1500 kHz的光子计数率，使其适合生物成像应用。此外，这些ND相较于市售较大尺寸的ND exhibits improved spin characteristics，所需达到3% ODMR对比度的微波功率减少了10-20倍，显示出峰分裂减小，并且自旋弛豫时间（T1 = 0.68 ms，T2 = 3.2 µs）显著延长，这些时间是类型-Ib ND的6到11倍。这些增强表明，ND具有稳定的量子态，可以可靠地通过低微波辐射进行检测和测量，从而降低细胞中微波引起的毒性可能性。
为了评估它们在生物传感中的能力，研究人员将ND引入HeLa细胞中，并通过ODMR实验评估自旋特性。ND足够明亮，便于观察，产生狭窄且一致的光谱，尽管受到布朗运动（细胞中ND的随机运动）的某些影响。此外，这些ND能够识别微小的温度变化。在300 K和308 K左右的温度下，ND显示出明显的振荡频率，展现出0.28 K/√Hz的温度灵敏度，优于裸型类型-Ib ND。
凭借这些先进的传感能力，该传感器提供了多种潜在应用，从生物细胞传感以早期疾病检测，到监测电池状况以及增强节能电子设备的热管理。“这些进展有潜力极大地影响医疗、技术和环境监管，从而改善生活质量并为未来挑战提供可持续的解决方案，”藤原教授总结道。
