要確保微小的奈米級電晶體正常工作、瞭解奈米材料的特性，或者測試奈米級醫療裝置，都需要具備快速且精確地測量磁場的能力。

如今，研究人員已經找到了實現這一目標的秘訣，他們利用一款桌面式量子感測器，能夠以納秒級的解析度捕捉磁場。蘇黎世聯邦理工學院的物理學家Konstantin Herb近日在加利福尼亞州阿納海姆舉行的美國物理學會全球物理峰會上展示了這一成果。

在資料儲存領域，開發磁軌（超高密度非易失性儲存系統）的公司能夠從研究超快磁化動力學的能力中獲益。同樣，在儲存器和計算應用方面的自旋電子學研究也有望因時間解析度的提高而取得進展。

傳統上，要研究在幾納秒時間尺度內發生的動態磁化過程，需要在大型 X 射線同步加速器設施中佔用束流時間，比如英國的Diamond Light Source設施，或是瑞士的保羅・謝勒研究所的相關設施。Herb表示：“我們認為，現在我們有能力在桌面實驗中做到這一點了。”

該設計基於金剛石中的氮空位（NV）中心，這是量子感測領域的常用技術手段。金剛石晶格中這些微小的人為製造的缺陷充當著高度靈敏的量子感測器，能夠檢測到磁場和電場的微小變化，並以可測量的方式對這些變化做出反應。

基於氮空位（NV）的量子磁力計已成為磁成像的關鍵工具。但它們的應用大多侷限於靜態磁化結構。此前的方法最多隻能達到20納秒的時間解析度，然而許多其他動態磁化過程 —— 比如磁軌中的那些過程 —— 僅在幾納秒的時間尺度內發生，這超出了現有基於氮空位（NV）的感測技術的能力範圍（https://journals.aps.org/prapplied/abstract/10.1103/PhysRevApplied.12.054028）。

去年，Herb和Christian Degen在一項量子感測實驗中探究了海森堡著名的不確定性原理與可實現的時間解析度之間的相互關係。在過去十年裡，“量子速度極限”（QSL）—— 即量子系統在兩個狀態之間轉換所需的最短時間 —— 在很大程度上一直只是資訊理論中的一個概念。但研究人員在2024年的研究中，建立了量子速度極限與感測中可實現的時間解析度之間的直接聯絡。Herb解釋說：“我們證明了靈敏度和時間解析度是可以相互權衡的（https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.133.210802）。”

如今，他們對這種權衡進行了檢驗。Herb、Degen以及蘇黎世聯邦理工學院的團隊展示了磁場感測技術，其時間解析度達到了創紀錄的僅1納秒（https://www.nature.com/articles/s41467-025-55956-1）。這使他們能夠捕捉到諸如磁疇壁運動和磁化反轉等快速訊號。與之前的研究成果相比，這一結果實現了超過10倍的進步，讓他們距離磁化動力學的即時成像大大更近了一步。

在實驗中，該團隊使用了來自QZabre公司的一款現成的氮空位（NV）探針，來檢測類似於在薄磁性奈米結構中磁化反轉和磁疇壁傳播所產生的磁場。透過施加一系列微波脈衝，他們操控了金剛石探針尖端單個氮空位中心的電子自旋，從而產生了一種光致發光訊號，以響應微小的外部磁場變化。透過監測光致發光的變化，他們能夠解讀區域性磁場密度。

他們測量納秒級變化的能力，歸根結底在於微波脈衝的傳輸方式，以及在微波激發的同時進行感測這一事實。Herb解釋說：“你需要一個足夠強的天線來驅動氮空位中心的狀態轉變，” 但同時又不能產生過多的熱量。研究人員透過設計一種高效的天線實現了這一點，該天線能使每安培的微波場最大化，實現了 2 納秒的脈衝持續時間，因此為磁感測提供了0.9吉赫茲的瞬時頻寬。

Herb說：“我們很興奮，因為傳統上量子感測更注重靈敏度和精度，而非速度。然而，隨著量子技術朝著實際應用方向發展，探索其速度極限變得至關重要。”

像QZabre和QNami這樣的初創公司已經在將基於氮空位（NV）的量子感測技術推向市場。他們現成可用的桌面系統讓自旋電子學和磁學領域的研究人員更容易接觸到這些先進技術。在過去的幾年裡，他們已經將完整的掃描顯微鏡系統商業化，這些系統可以安裝在電腦機架上，供學術界和工業界使用。Herb認為，使用這些緊湊的、可在室溫下執行的裝置進行超快測量已經為期不遠了。

QZabre公司已經在研究一種整合天線設計，這將有助於提高他們掃描顯微鏡的切換速度。Herb說：“既然原則上所有條件都已具備，那麼這應該只是一個工程問題了。”

對於蘇黎世聯邦理工學院的團隊而言，他們的主要動機是證明實現如此快速的感測是可行的。這也為研究新的儲存系統以及動態磁化過程帶來了可能。Herb表示：“我們的願景是，無需使用同步加速器，人們就能夠開展超快科學研究。”