古地磁學是一門介于地質學、物理學、地球物理學之間的交叉學科。古地磁學一般通過測定巖石或古文物的天然剩余磁化強度，研究地質時期地球磁場方向、強度、行星發(fā)動及其演化規(guī)律。
巖石是天然礦物的結合體，其剩余磁性一般來自于巖石中的鐵磁礦物，包含原生剩磁和次生剩磁。所謂原生剩磁指的是巖石形成時記錄的地磁場信息。與之相對的，在巖石形成后得到的剩余磁性叫做次生剩磁，如巖石在外磁場的作用下（如自然雷電擊中、流水風沙侵蝕）獲得的剩磁。由于古地磁學研究的是巖石形成時地磁場的特征，故必須以準確地測量原生剩磁為先決條件。
目前，巖石磁性是通過測量毫米到厘米大小的大塊樣品的凈磁矩來分析的。目前常見的科學分析儀器有超導巖石儀、振動樣品磁力儀等。然而，在亞微米尺度上，地質樣品通常在礦物學和質地上都是不均勻的，只有小部分鐵磁顆粒攜帶的剩余磁化。因此，在這種情況下表征巖石磁性需要一種能夠在納米空間尺度上成像磁場并具有高靈敏度的技術。例如，正廣泛應用的掃描超導顯微鏡（SQUID）、磁阻顯微鏡、霍爾顯微鏡等。
2011年，科研工作者們證實了金剛石中的氮-空位色心（簡稱NV色心）可以用于亞微米尺度上的磁成像。2017年，哈佛大學R.L.Walsworth等人利用自搭的基于NV色心的量子鉆石顯微鏡，實現(xiàn)了巖石磁場的成像，其指標空間分辨率為5 um、視場范圍為4 mm。通過減少金剛石與樣品之間的距離（≤10 um）,實現(xiàn)磁矩靈敏度10-16 A·m2，這一指標可媲美乃至超越SQUID、磁阻顯微鏡、霍爾顯微鏡等主流設備。此外，量子鉆石顯微鏡還具有光學成像功能和成像速度快的優(yōu)勢。
可見，在地質、磁隕石的探測分析中，量子鉆石顯微鏡展現(xiàn)出了巨大的應用潛力，為弱磁成像開辟了新的道路。隨著人類對月球、火星等深空領域的不斷探索，量子鉆石顯微鏡也將應用于月巖、火星巖石的表征分析中。
量子鉆石顯微鏡的大致構造如上圖（a）所示。整個探頭部分置于三維的亥姆霍茲線圈中，其作用是施加外磁場使得金剛石內NV色心能級退簡并。實驗過程中金剛石緊貼于巖石樣品表面，如上圖（b）所示。下面簡述量子鉆石顯微鏡的工作原理。
首先利用激光聚焦實現(xiàn)金剛石內NV色心量子態(tài)的初始化。然后掃描輸入微波的頻率，并通過輻射天線作用到NV色心上。當微波頻率與NV色心能級共振時，NV色心的ms=±1態(tài)與ms=0態(tài)布居數(shù)反轉，熒光強度下降。在成像區(qū)域內隨微波頻率變化的熒光信號經(jīng)物鏡收集后由收集光路成像到sCMOS相機上。
在實驗中通過sCMOS相機設定成像區(qū)域為M×N個像素點，每次進行圖片采集相當于M×N個像素點同時進行熒光信號探測。在所有頻點數(shù)據(jù)采集完成后，即得到完整的光探測磁共振譜（簡稱ODMR譜），通過相應的數(shù)據(jù)運算把每個像素點的磁場強度解算出來。最后把每個像素點的位置與磁場強度對應起來，用顏色區(qū)分各個像素點的磁場強度，實現(xiàn)二維磁場成像。
2022年，國儀量子自主研制的“量子鉆石顯微鏡"面向全球發(fā)布，這是一款基于金剛石NV色心技術的、先進的商用量子精密測量儀器，具有高空間分辨率、大視野、成像速度快等優(yōu)勢，有望在古地磁領域產生新的科學增長點。同時，在半導體、材料科學、細胞磁學、體外診斷等多個領域也具有廣闊的應用前景。
6
立即詢價
您提交后，專屬客服將第一時間為您服務