江颖课题组成功研制扫描量子传感显微镜并实现纳米级电场成像

近日，北京大学物理学院量子材料科学中心、北京大学轻元素先进材料研究中心江颖教授课题组和德国斯图加特大学Jörg Wrachtrup教授、香港中文大学杨森教授等合作，自主研制了一台扫描量子传感显微镜系统，在国际上首次利用氮—空位色心（NV center）量子探针实现了10纳米级电场成像和电荷态调控，灵敏度接近单个元电荷，将可能催生基于NV探针的扫描电场强度计。该研究成果以“室温大气环境下基于量子探针的纳米尺度电场成像及其电荷态调控”（Nanoscale electric-field imaging based on a quantum sensor and its charge-state control under ambient condition）为题，发表于《自然·通讯》 （Nature Communications 12, 2457 (2021) ）。

氮—空位色心（NV center）是金刚石材料中的点缺陷，在固态量子比特中具有代表性，近年来被广泛应用于量子计算、量子信息和量子传感等领域。通过监测NV的量子态与周围环境相互作用下的相干演化，NV本身可以作为高灵敏度探针来定量探测其周围环境中各种极其微弱的电磁信号。由于NV在室温大气环境下的相干时间可达到毫秒量级，其探测灵敏度极高，理论上可探测单个质子核自旋产生的磁场。将浅层NV与扫描探针显微镜（SPM）结合，可以构建扫描磁场强度计，从而实现纳米尺度的磁场定量成像。然而，由于电场与NV的耦合强度较弱，对NV的相干性和SPM的性能要求非常苛刻，一直以来，基于NV的扫描电场强度计未能实现。

江颖教授课题组长期致力于自主研发先进扫描探针显微术（SPM），近年来发展了一套新型qPlus探针技术，将SPM的分辨率和灵敏度推向了极限，国际上首次实现了氢原子的直接成像和定位。在此基础上，江颖团队创新性地将qPlus型探针技术和NV技术相结合，自主研发了一台扫描量子传感显微镜系统，并利用NV对金属针尖的局域电场进行了扫描成像。由于qPlus探针具有极高的稳定性，可在~1 nm的工作距离下，维持~100 pm的小振幅，从而保证了浅层NV优异的相干性和空间分辨率，最终在室温大气下得到了~10 nm空间分辨率的电场梯度图像，灵敏度接近单个元电荷。未来该技术可能被应用于研究功能材料的局域电荷、电极化和介电响应等微观性质。

进一步，该工作还利用扫描探针实现了单个NV电荷态（NV+，NV0和NV－）的可逆调控。其中NV－为常用的量子探针，而NV+和NV0可用于构建提升量子传感探测灵敏度的量子存储单元。研究人员发现，利用金属针尖的局域强电场，并借助激光对NV周围杂质电荷的电离，可以在金刚石表面形成局域极化或退极化，进而诱导NV的电荷态转换。该电荷调控技术的空间分辨可以达到4.6 nm，将有助于优化浅层NV的局域电荷环境和提升NV的相干性，以及精确构建基于NV量子比特的量子网络。

北京大学物理学院量子材料科学中心江颖教授与德国斯图加特大学Jörg Wrachtrup教授是文章的共同通讯作者；北京大学量子材料科学中心2014级博士研究生边珂（现为北京大学物理学院博士后）和2016级博士研究生郑闻天是文章的共同第一作者。这项工作得到了国家自然科学基金委、科技部、教育部、北京市政府、量子物质科学协同创新中心和北京大学轻元素先进材料研究中心的经费支持。

全文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-021-22709-9

图：a 基于NV的扫描电场强度计示意图。b和c：利用浅层NV对针尖电场进行扫描成像得到的实验图及其模拟图。d：利用针尖局域电场对单个NV的电荷态进行调控。