高可靠性金刚石NV色心量子磁力计实现地球磁场的长期在轨监测
2026-06-06 09:14:20 来源：麦姆斯咨询 评论：0 点击：
金刚石NV色心结构是氮原子紧邻一处碳原子空位，并且对磁场极为敏感，因此十分适用于制作量子传感器。关键在于，金刚石本身具备优异的稳固特性：兼具抗辐照能力、热稳定性与机械韧性，能够适应太空的严苛环境。
从导航应用到太阳活动预报，多个研究领域都需要星载传感器在任意时刻尽可能精准测量地球磁场。但迄今为止，现有的传感器一直受漂移、航天器自身干扰、在轨恶劣环境等因素困扰。
据麦姆斯咨询报道，近期，比利时哈塞尔特大学（Hasselt University）的Yarne Beerden及其团队在Physical Review Applied期刊发表了题为“Resilient quantum sensor monitors Earth's magnetic field from space for 10 months”的研究论文，介绍了一款金刚石NV色心量子磁力计，有望为上述难题提供可行解决方案。
在轨搭载于国际空间站的金刚石NV色心磁力计OSCAR-QUBE
磁通门磁力计达到性能极限
为实现地球磁场的高精度测量，当前，科研人员主要依靠星载磁通门磁力计。该传感器应用表现优异，但存在明显缺陷：温度波动会造成读数随时间漂移，加之元器件老化，该传感器需要定期重新校准。
除此之外，磁通门磁力计易受航天器自身电子器件的电磁干扰，因此通常需安装在长尺寸可展开伸杆上，拉开传感器与干扰源的距离。各国航天机构不断研发低成本、小型化卫星平台，使得上述缺陷愈发难以规避。
新型量子传感器OSCAR-QUBE
Yarne Beerden团队在研究中提出了一种量子传感器替代方案，该传感器名为“OSCAR-QUBE”，其采用截然不同的技术原理：利用一类被称作氮-空位（NV）色心的原子级缺陷来感知磁场。
金刚石NV色心结构是氮原子紧邻一处碳原子空位，并且对磁场极为敏感，因此十分适用于制作量子传感器。关键在于，金刚石本身具备优异的稳固特性：兼具抗辐照能力、热稳定性与机械韧性，能够适应太空的严苛环境。
该研究团队研制的量子磁力计工作原理：通过向金刚石照射激光并监测NV色心的响应来工作。通过测定NV色心在施加磁场下的量子态变化，研究人员能够获取有关磁场强度和方向的详细信息。
金刚石NV色心量子磁力计的太空部署
金刚石NV色心磁力计OSCAR-QUBE仅重420克，可收纳于边长10厘米的立方体中，功耗仅5瓦。该量子磁力计搭载于国际空间站（ISS）开展了为期10个月的部署工作，其灵敏度足以在空间站过境时捕捉地球磁场的有效变化。
金刚石NV色心磁力计OSCAR-QUBE在轨任务配套系统示意图
金刚石NV色心磁力计OSCAR-QUBE历经8个月在轨运行所得的光探测磁共振（ODMR）测试结果与提取参数，表明该传感器性能未出现可观测衰减。
各类分布图的实测结果与地球磁场模型高度吻合
基于上述结果，Yarne Beerden团队认为金刚石NV色心磁力计有望为下一代对地观测任务开辟一条明晰的技术路径。
未来由多颗小卫星组成卫星星座，每颗卫星搭载紧凑型NV磁力计，有望以远高于现有任务的分辨率测绘地磁场，同时规避传统传感器存在的校准难题。这也将是推动量子传感成为空间科学实用器件的重要一步。
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