Optically detected magnetic resonance of nitrogen-vacancy centers in diamond using two-photon excitation
以 1040 nm 雙光子激發室溫讀取鑽石磁共振，推動 3D 量子感測。
- 採用 1040 nm 飛秒雷射雙光子激發，提升晶體深層探測潛力。
- 首度於室溫觀測 ODMR 磁共振，量子設備將可擺脫低溫冷卻限制。
- 利用 2PEF 技術繪製鑽石 3D 結構，推動非破壞性量子成像發展。
美國亞利桑那大學光學科學學院的研究團隊，首次成功利用 1040 nm 波長的超快飛秒雷射，在室溫下透過雙光子激發（Two-photon excitation）技術，觀察到鑽石中氮-空缺中心的基態光探測磁共振（ODMR）訊號。這項實驗成功映射了微米級鑽石內部的結構，為未來的快速 3D 量子感測與影像技術奠定了基礎。
採用 1040 nm 飛秒雷射的雙光子激發技術
過去在觀測鑽石的氮-空缺中心（Nitrogen-vacancy centers，簡稱 NV 中心，鑽石結構中的發光點缺陷）時，物理學界大多依賴傳統的綠光單光子激發。在這份提交至 arXiv 的最新研究中，來自亞利桑那大學的 Lam T. Nguyen 與 Khanh Kieu 改採 1040 nm 波長的超快飛秒雷射作為激發光源。雙光子激發技術是一種非線性光學過程，允許材料在同時吸收兩個較低能量（較長波長）光子的情況下，達到與吸收單一高能光子相同的激發狀態。
這種機制的優勢在於，1040 nm 的近紅外光具有更強的穿透力，能顯著降低對目標材料背景的非特異性光散射與吸收。為了在極短的激發時間內精準捕捉微弱的螢光訊號，實驗團隊在訊號讀取端，結合了 PMT（光電倍增管，高靈敏度的微弱光訊號偵測器）與鎖相放大器（Lock-in amplifier）。這套硬體組合能有效濾除背景雜訊，確保在室溫環境下依然維持極高的訊號雜訊比，為後續的量子態讀取提供穩定的硬體基礎。
室溫下成功觀測基態 ODMR 磁共振軌跡
光探測磁共振（ODMR，觀察螢光變化讀取電子自旋的技術）是現代固態量子感測領域的核心機制。當施加特定頻率的微波時，NV 中心的電子自旋會發生共振翻轉，進而導致其發射的螢光強度產生可測量的下降。研究團隊在這項實驗中，首度證實了可以純粹依賴雙光子激發，來完整觀測 NV 中心的基態 ODMR 軌跡。
以往進行這類高精度的量子自旋狀態觀測，若要避免熱雜訊的干擾，往往需要依賴極低溫的環境。但此研究成功在標準的室溫條件下完成量測，這意味著基於 NV 中心的量子感測設備，未來有望徹底擺脫龐大、耗能且昂貴的低溫冷卻系統。能夠在常溫下穩定讀取 ODMR 訊號，不僅大幅降低了實驗室與潛在工業應用的門檻，也讓研究人員能夠將系統設計的重心，轉移到提升訊號的空間解析度與整體掃描速度上。
運用 2PEF 技術映射微米級鑽石內部結構
除了確認單點的量子共振訊號，研究團隊更進一步發揮雙光子激發螢光（2PEF，利用雙光子吸收產生螢光的顯微技術）所具備的內建空間解析優勢。透過這套特製的光學系統，他們成功掃描並繪製出塊狀鑽石（Bulk diamond）以及微米級小鑽石內部 NV 中心的三維分布圖。
雙光子激發的物理特性在於，只有在雷射光束匯聚的極小焦點處，光子密度才足以引發雙光子吸收效應。這賦予了該技術極佳的深度解析度（Z 軸解析度）。相較於傳統的共軛焦顯微鏡，2PEF 技術不僅減少了焦點外區域的光漂白（Photobleaching）現象，還能更深入鑽石的高折射率晶格內部進行純粹的非破壞性檢測。這種精準的三維空間映射能力，對於未來製造、評估與篩選高品質的量子級鑽石材料，提供了直觀的檢測手段。
奠定 2026 年快速 3D 量子感測與影像基礎
這份在 2026 年發布的技術驗證，為固態量子感測器的發展開啟了全新的三維度視角。由於鑽石中的 NV 中心對其周遭環境的微小變化——包括磁場、電場、溫度與機械應力——都具有極高的量子敏感度，結合雙光子激發所帶來的精準 3D 空間定位能力，未來的量子感測器將不再侷限於二維表面的感測。
研究人員在論文中強調，這是科學界首次以雙光子激發成功觀察到 NV 中心的 ODMR 軌跡。這項基礎物理光學的突破性進展，直接指向了「快速三維量子感測與成像」的實用化前景。無論是在先進材料科學中探測奈米級的三維磁場分佈，或是應用於新一代精密測量的量子儀器，1040 nm 飛秒雷射與雙光子激發的組合，都為科學界提供了一套高效、高解析度且具備深層探測潛力的強大新工具。
結合飛秒雷射與雙光子激發，首度在室溫讀取鑽石磁共振，開啟 3D 量子感測新頁。