量子精密測(cè)量研究重要進(jìn)展：基于NV色心的納米尺度電探測(cè)新方法

據(jù)悉，近日中科院微觀磁共振重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室杜江峰、石發(fā)展、王亞等人在金剛石單自旋量子精密測(cè)量研究方向取得重要進(jìn)展，提出并通過(guò)實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)了一種以金剛石氮-空位（NV）色心單自旋為量子傳感器（以下簡(jiǎn)稱“金剛石量子傳感器”）的電探測(cè)方法，并首次通過(guò)磁抑制的NV色心實(shí)現(xiàn)了金剛石近表面電噪聲信息的提取，為金剛石量子傳感器在電探測(cè)方向的應(yīng)用提供新的途徑。且該研究成果以“編輯推薦”形式發(fā)表在近期的《物理評(píng)論快報(bào)》上 [Nanoscale Electrometry Based on a Magnetic-Field-Resistant Spin Sensor, Phys. Rev. Lett. 124, 247701 (2020)]。

 對(duì)電、磁等基本物理量高分辨率高靈敏度的探測(cè)在物理、材料、生命科學(xué)等領(lǐng)域均有重要應(yīng)用。金剛石中的NV色心以其室溫大氣環(huán)境下*的相干性質(zhì)而成為高靈敏的磁量子傳感器，在磁性探測(cè)與成像方面兼具高靈敏度高分辨率的綜合優(yōu)勢(shì)，已用于單分子磁共振和納米尺度磁成像等領(lǐng)域[杜江峰團(tuán)隊(duì)在該方向的代表性論文：Nature Physics 10, 21 (2014); Science 347, 1135 (2015); Nature Methods 15, 697 (2018); Science Advances 5, eaau8038 (2019); Science Advances 6, eaaz8244 (2020)]。同時(shí)，NV色心作為電信號(hào)量子傳感器早在2011年被提出[Nat. Phys. 7, 459 (2011)]，且被證明在室溫大氣環(huán)境下具備單個(gè)電荷的探測(cè)靈敏度，目前已實(shí)現(xiàn)對(duì)金剛石體內(nèi)的電荷與電場(chǎng)探測(cè)。但NV色心作為量子傳感器，最終實(shí)用化的目標(biāo)是將其應(yīng)用于金剛石體外信號(hào)表征。為了將NV色心用于金剛石體外樣品的電信號(hào)高靈敏度與高分辨率的表征，需要將其制備于10納米到幾十納米深度位置的金剛石淺表層處。但是金剛石近表面磁噪聲環(huán)境復(fù)雜，NV色心易受到磁信號(hào)干擾，限制了其對(duì)電場(chǎng)探測(cè)的實(shí)際應(yīng)用。

圖 1：(a) 實(shí)驗(yàn)示意圖，金剛石表面覆蓋電極施加電場(chǎng)，旁邊放上通電流的螺線管施加磁場(chǎng)。(b) NV色心新本征態(tài)的能級(jí)隨電極電壓（即電場(chǎng)，紅線及圓環(huán)所示）與螺線管內(nèi)電流（即磁場(chǎng)，藍(lán)線及方塊所示）的關(guān)系，可見(jiàn)其僅對(duì)電場(chǎng)變化有響應(yīng)。

為了解決這一局限性，該研究提出了一種能抑制磁信號(hào)和噪聲同時(shí)對(duì)電場(chǎng)敏感的方法。NV色心作為一種自旋體系，其對(duì)磁場(chǎng)具有天然的敏感性，相對(duì)而言對(duì)電場(chǎng)的敏感度較低，因此消除磁場(chǎng)干擾是電探測(cè)的前提。研究中設(shè)計(jì)了一種連續(xù)動(dòng)力學(xué)解耦序列，形成特定的綴飾態(tài)空間，有效地抑制了NV色心對(duì)磁場(chǎng)的響應(yīng)，同時(shí)保留對(duì)電場(chǎng)的線性響應(yīng)（如圖1所示），從而構(gòu)建了一個(gè)更加有效的電信號(hào)量子傳感器。更進(jìn)一步，研究人員利用這種新的電探測(cè)方法，研究了金剛石近表面的電噪聲分布。過(guò)去認(rèn)為金剛石近表面NV色心感受到的噪聲主要來(lái)源于金剛石上表面分布的未配對(duì)電子或自旋引起的電磁噪聲。另外，他們還發(fā)現(xiàn)除了金剛石上表面的電噪聲，距離金剛石表面約10納米深的內(nèi)部（NV色心周圍）的電噪聲也不可忽略。通過(guò)建立模型與定量的實(shí)驗(yàn)研究這兩處電噪聲，發(fā)現(xiàn)它們之間存在顯著的相關(guān)性。這種定量的探測(cè)和分析是以往研究方式無(wú)法實(shí)現(xiàn)的，而新方法對(duì)磁噪聲呈現(xiàn)出高度抑制的作用，因此可以被用于金剛石近表面純電噪聲信息的提取。這有助于更準(zhǔn)確地分析表面噪聲的性質(zhì)和來(lái)源，從而進(jìn)行針對(duì)性的消除。

該研究成果驗(yàn)證了新的基于金剛石量子傳感器的電探測(cè)方法，這種方法相對(duì)于以往基于NV色心的電探測(cè)方式大幅增強(qiáng)了對(duì)磁噪聲的抑制，從而延長(zhǎng)了其相干時(shí)間并提高了電探測(cè)的靈敏度。該方法非常適用于電磁場(chǎng)共存樣品的表征，例如多鐵材料。結(jié)合NV色心高分辨成像的特性，有望在材料的電磁性質(zhì)表征領(lǐng)域取得重要應(yīng)用。除此之外，該方法同樣具有室溫大氣環(huán)境下單個(gè)電子電荷的探測(cè)靈敏度，其可應(yīng)用于凝聚態(tài)以及半導(dǎo)體等材料的電信號(hào)表征。

國(guó)儀量子公司發(fā)布的量子鉆石單自旋譜儀，也可應(yīng)用于該類研究，用于驗(yàn)證實(shí)現(xiàn)基于金剛石氮-空位（NV）色心量子傳感器的高分辨電磁探測(cè)。量子鉆石單自旋譜儀是一臺(tái)基于NV色心的以自旋磁共振為原理的量子實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，通過(guò)控制光、電、磁等基本物理量，實(shí)現(xiàn)對(duì)鉆石中氮?空位（NV色心）發(fā)光缺陷的自旋進(jìn)行量子操控與讀出，與傳統(tǒng)順磁共振、核磁共振相比，具有初態(tài)是量子純態(tài)，自旋量子相干時(shí)間長(zhǎng)，量子操控能力強(qiáng)大，量子塌縮測(cè)量實(shí)驗(yàn)結(jié)果直觀等*優(yōu)勢(shì)。

量子鉆石單自旋譜儀在譜學(xué)分析和結(jié)構(gòu)解析等應(yīng)用中具有獨(dú)到優(yōu)勢(shì)，可實(shí)現(xiàn)單蛋白等單分子電子順磁共振，納米尺度核磁共振，活體細(xì)胞溫度、磁場(chǎng)、動(dòng)作電位探測(cè)等。

點(diǎn)擊了解更多量子鉆石單自旋譜儀信息