两种量子传感技术，光泵磁力计（OPM）和金刚石中的氮-空位（NV）中心，正在改变化学家和材料科学家测量原本不可见事物的方式，根据哈佛大学和克拉科夫雅盖隆大学的研究人员在arXiv上发表的一篇全面新综述。
该综述由Piotr Put（哈佛/雅盖隆）、Arjun Pillai、Xuan Hoang Le、Mikhail D. Lukin和Hongkun Park领导，系统地比较了这两种平台在一系列化学和材料应用中的表现。两者都利用原子级传感器的量子特性以极高的灵敏度检测磁场，但它们在根本不同的机制下运行。
两种方法，互补优势
OPM使用包含10^11到10^14个碱金属原子（通常是铯或铷）的宏观蒸气室。激光偏振化原子的自旋，磁场引起偏振进动，并通过光学方式读出。结果是极端的体灵敏度，低至亚飞特斯拉每平方根赫兹，但空间分辨率为毫米到厘米级。OPM可以通过金属壁检测磁场，使其特别适合监测密封反应器内的化学反应。
相比之下，NV中心是金刚石晶格中的点缺陷，即一个氮原子邻近一个缺失的碳原子。每个NV中心是一个可以在光学上寻址的单原子级磁力计。它们提供纳米级空间分辨率（低至约10纳米）、多模态传感（磁场、温度、电场和应变），并且可以在从低温到600K的宽温度范围内运行。每平方根赫兹的灵敏度低于OPM，通常在皮特斯拉范围，但它们的空间分辨率开启了完全不同的应用。
该综述的关键比较表量化了这些权衡：OPM的DC灵敏度为0.16-100 fT/Hz^(1/2)，AC灵敏度为0.2-100 fT/Hz^(1/2)（千赫兹频率），而NV中心在DC下达到5 pT/Hz^(1/2)至1 microT/Hz^(1/2)，在AC下达到200 fT/Hz^(1/2)至1 microT/Hz^(1/2)。OPM每根带宽的灵敏度大约高出10到1，000倍，但NV中心的空间分辨率大约高出10^5倍。
化学分析
在零到超低场（ZULF）NMR中，OPM是主要平台，检测J耦合谱，即原子核之间的跨键磁相互作用，无需强超导磁体。这使得在传统高场NMR不实用的环境中进行化学鉴定成为可能。论文指出，PHIP和SABRE等超极化技术可以将信噪比提高几个数量级，使ZULF NMR在实际样品中变得实用。
NV中心将NMR扩展到纳米尺度。使用CASR（连续绝热扫描旋转）协议，它们实现了皮升级体积中的化学位移分辨率，通过Overhauser DNP超极化对叔丁醇的检测限低至50飞摩尔。对于顺磁性物质，NV动态量子传感对造影剂钆布醇实现了10阿托摩尔的检测限。
实时监测
OPM可以监测密封金属反应器内的化学反应，氢化反应，酶促反应，因为低频磁信号能穿透金属外壳。这使得无需采样或光学接入即可实现反应进程的时间分辨跟踪。
与此同时，NV中心可以在单分子水平上追踪表面化学，监测自组装单分子层，通过弛豫测量法检测自由基，并通过NV^-和NV^0之间的电荷态切换感应pH值。
材料应用
在操作中电池诊断中，OPM检测锂离子电池中的电荷存储不均匀性和弱瞬态内部电流，这些信息是传统电测量所不可见的。NV中心通过纳米级检测电极-电解质界面的电流分布和离子动力学来补充这一点。
对于高通量化验，该综述讨论了用于平行筛选的多重OPM阵列和用于多孔板格式的纳米金刚石基分析。体灵敏度（OPM）和纳米级分辨率（NV中心）的结合意味着量子传感现在可以覆盖几乎整个与化学和材料科学相关的长度尺度范围。
现状
该综述于2026年7月8日发布在arXiv上，尚未提交给同行评审期刊。鉴于其范围，22页涵盖原理、应用和展望，它很可能针对如Chemical Reviews、Nature Reviews Chemistry或Nature Reviews Physics等主要综述期刊。
披露：基于未经同行评审的arXiv预印本。
婷 翻译
Sources
[1] Put， P.， Pillai， A.， Le， X.H.， Lukin， M.D.， & Park， H. “Quantum Sensors for Chemistry and Materials Science.” arXiv:2607.07848 (2026). https://arxiv.org/abs/2607.07848