2011年，科研工作者們證實(shí)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(xué)R.L.Walsworth等人利用自搭的基于NV色心的量子鉆石顯微鏡，實(shí)現(xiàn)了巖石磁場的成像，其指標(biāo)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(shí)現(xiàn)磁矩靈敏度10^-16 A·m²，這一指標(biāo)可媲美乃至超越SQUID、磁阻顯微鏡、霍爾顯微鏡等主流設(shè)備。此外，量子鉆石顯微鏡還具有光學(xué)成像功能和成像速度快的優(yōu)勢。    

可見，在地質(zhì)、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(yīng)用潛力，為弱磁成像開辟了新的道路。隨著人類對(duì)月球、火星等深空領(lǐng)域的不斷探索，量子鉆石顯微鏡也將應(yīng)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(gòu)造如上圖（a）所示。整個(gè)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(nèi)NV色心能級(jí)退簡并。實(shí)驗(yàn)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(shí)現(xiàn)金剛石內(nèi)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(dāng)微波頻率與NV色心能級(jí)共振時(shí)，NV色心的m_s=±1態(tài)與m_s=0態(tài)布居數(shù)反轉(zhuǎn)，熒光強(qiáng)度下降。在成像區(qū)域內(nèi)隨微波頻率變化的熒光信號(hào)經(jīng)物鏡收集后由收集光路成像到sCMOS相機(jī)上。

在實(shí)驗(yàn)中通過sCMOS相機(jī)設(shè)定成像區(qū)域?yàn)镸×N個(gè)像素點(diǎn)，每次進(jìn)行圖片采集相當(dāng)于M×N個(gè)像素點(diǎn)同時(shí)進(jìn)行熒光信號(hào)探測。在所有頻點(diǎn)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(yīng)的數(shù)據(jù)運(yùn)算把每個(gè)像素點(diǎn)的磁場強(qiáng)度解算出來。最后把每個(gè)像素點(diǎn)的位置與磁場強(qiáng)度對(duì)應(yīng)起來，用顏色區(qū)分各個(gè)像素點(diǎn)的磁場強(qiáng)度，實(shí)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(shù)的、先進(jìn)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(lǐng)域產(chǎn)生新的科學(xué)增長點(diǎn)。同時(shí)，在半導(dǎo)體、材料科學(xué)、細(xì)胞磁學(xué)、體外診斷等多個(gè)領(lǐng)域也具有廣闊的應(yīng)用前景。