近日，北京大学物理学院重离子物理研究所、核物理与核技术全国重点实验室薛建明课题组历时一年成功自主研制一套针对核技术应用的色心量子传感系统。相关前期研究成果以“MeV粒子辐照制备高亮度4H-SiC硅空位色心材料”（Fabrication of high-brightness silicon vacancy color-center ensembles in 4H-SiC via MeV particles）为题，于2025年8月在线发表于《应用物理快报》（Applied Physics Letters）,并被编辑推荐为当期Featured Article。

量子传感作为核心的量子信息技术之一，基于对量子态的精密操控与读取，利用量子态的分立性、相干性和随机性，能够大幅提升对微小物理量变化量的感知能力（灵敏度），并降低测量不确定度。基于色心的量子传感是当前该领域的重要技术路线之一。色心是指材料中特定的固态自旋缺陷，宽禁带半导体材料中的色心凭借其室温下优异的相干特性以及超越经典极限的测量灵敏度，在时频、电/磁场、温度、惯性等物理量的测量领域展现出巨大的应用潜力[Nature Materials, 2023, 22: 489-494; Science Advances, 2022, 8: eabm5912]。同时基于色心的量子传感还具有在极端环境下稳定工作、易于集成和微型化等独特优势。

课题组以高品质色心制备及辐射效应研究为目标，成功建立了一套独具特色、拥有自主知识产权的光探测磁共振测量系统，能够集成多种辐射源，从而能够开展针对核技术的特殊应用及物理机制研究。该系统集成了光学系统、微波脉冲调控系统、计算机控制及采样系统、样品运动控制系统和静磁场调节系统，其稳定性、灵敏度和可扩展性已通过实验验证。系统的微波输出范围覆盖9 kHz~6 GHz，荧光探测波段为400~1100 nm，可用于金刚石NV色心、碳化硅硅空位色心等多种色心ODMR谱的测量，为今后优化色心材料品质、评估验证量子传感方案以及量子传感辐射效应等相关研究奠定了基础。

近期，关于高效制备高品质色心的研究工作在Appl. Phys. Lett.发表。该工作利用重离子物理研究所辐照种类齐全的优势，系统揭示了不同载能离子、脉冲电子束等辐照参数对制备高亮度硅空位色心的影响规律；实现了不同亮度色心材料的可控制备，为高品质色心系统的制备提供了有力支撑，也为下一步的辐射效应研究工作奠定了扎实基础。

图1 粒子辐照制备碳化硅硅空位色心材料示意图及辐照参数对色心材料亮度的影响规律

课题组致力于发展高品质色心材料制备方法，旨在获得具有长相干时间、高亮度特性的高品质色心系统，从而充分发挥量子传感的优势，满足下一代量子传感的发展需求，推动量子传感的实用化和前沿探索。该成果有望为核技术在量子领域的深入应用提供关键技术支撑，推动相关产业朝着高精度、微型化、极端环境适用的方向发展，并在相关领域发挥重要的示范与推动作用。下一步将基于搭建的ODMR平台系统探究辐照参数对色心相干特性的影响，为制备高品质色心系统提供理论和实验基础。此外，课题组正在进一步拓展升级平台，用以研究量子传感系统的辐射效应规律和损伤机理，评估其性能的退化规律和长期稳定性，为量子传感技术在核能、航天等辐射环境中的应用提供支撑。

北京大学物理学院重离子物理研究所博士生田赏为论文第一作者，博士生黄华清、郭昊正、孙健涵、梁钰岚、宋业伟分别在材料表征、MeV电子辐照和激光加速离子辐照实验等方面做出贡献。薛建明教授为该论文通讯作者，其他合作者包括北京大学重离子物理研究所马文君教授、黄森林副教授、林林高级工程师、高原高级工程师、赵云彪副研究员等。上述工作得到国家自然科学基金重点项目、核物理与核技术全国重点实验室的支持。

论文原文链接：

https://doi.org/10.1063/5.0288542