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江颖课题组成功研制扫描量子传感显微镜

近日，北京大学物理学院量子材料科学中心、北京怀柔综合性国家科学中心轻元素量子材料交叉平台江颖教授团队和德国斯图加特大学物理第三研究所和应用量子科技中心Jörg Wrachtrup教授、香港科技大学物理系杨森教授等合作，创新性的将金刚石色心量子传感技术与qPlus扫描探针技术有机融合，自主研发了一台扫描量子传感显微镜。该系统兼备原子级的形貌表征能力以及纳米级的电场和磁场定量成像能力，并将探测灵敏度推进至单个质子水平。该成果以“一种室温大气环境下兼容量子传感技术的扫描探针显微镜”（A scanning probe microscope compatible with quantum sensing at ambient conditions）为题，于2024年5月31日发表在国际著名科学仪器杂志《科学仪器评论》（Review of Scientific Instruments）上。

扫描探针显微镜（scanning probe microscope, SPM）是纳米科技领域最伟大的发明之一，可在原子尺度获取表面的形貌和物性。尽管如此，传统SPM依赖于隧穿电流和原子力等非相干信号，难以实现微弱电场和磁场的定量探测。近年来，以金刚石中的氮-空位（nitrogen -vacancy, NV）色心为代表的量子传感器可通过相干调控实现单个核自旋级的超高探测灵敏度。将NV色心及其相干调控技术与传统SPM技术结合（NV-SPM），有望突破传统SPM的局限。然而，现有NV-SPM所采用的悬臂梁或音叉的工作振幅大，针尖离样品的距离远大于1 nm，限制了空间分辨率和探测灵敏度。

江颖课题组长期致力于自主研发新型SPM技术，近年来基于qPlus传感器成功发展出一套非侵扰的高阶静电力成像手段，国际上首次实现了水分子中氢原子的直接成像。进一步，江颖等成功研发了一台qPlus型光耦合SPM系统（Cheng et al., Rev. Sci. Instrum. 93, 043701 (2022)），并将该成果转让给中科艾科米（北京）科技有限公司，与企业联合攻关共同推出商业化系统。该系统的品质因子和振幅噪音等核心参数优于国外同类设备，上市后得到了很好的应用（Hong et al., Nature 630, 375 (2024)）。

基于高端仪器自主研发的丰富经验，江颖课题组与合作者将qPlus-SPM技术和量子传感技术高效融合，成功搭建了一套室温大气环境下的高分辨扫描量子传感显微镜系统（图1）。该系统集成了新型qPlus原子力传感器（专利1，图2a）和NV量子传感技术所需的各项探测/调控终端（专利2，3），在保证扫描头紧凑性和高抗振性的结构基础上，同时实现了针对色心探针量子态的高效操纵和读出。该系统针尖与样品的工作距离可小于1 nm，针尖的最小振幅可维持在pm量级，大大提升了空间分辨率和探测灵敏度。

图1 (a): 扫描量子传感显微系统原理图：融合了qPlus原子力传感器、NV色心以及表征和调控NV量子态所需的激光、磁场和微波序列。(b): 高分辨扫描量子传感显微镜核心部件----扫描探头的3D模型。(c): 高分辨扫描量子传感显微镜核心部件----扫描探头的实物照片。

经测试，自研的新型qPlus传感器在室温大气环境下展现了优异的机械性能（品质因数~4400）（图2a和2b）。一方面，该系统具备原子级的形貌空间分辨（图2c）；另一方面，基于qPlus针尖的强局域电场，该系统可实现浅层NV色心电荷态的高分辨调控，以及金刚石近邻表面顺磁噪声的高效抑制，从而大幅提升了浅层NV的相干性，将质子自旋的探测灵敏度提升了近两个量级，逼近单个质子水平（图2d）。此外，借助单个NV色心，该系统还在纳米尺度实现了磁场和电场的高分辨定量成像（图2e和2f）。

该扫描量子传感显微镜系统突破了长期以来扫描探针技术在微弱电/磁场探测方面的灵敏度限制，为实现原子/纳米尺度的电磁成像、谱学和操控铺平了道路，在物理、化学、材料、生物等学科领域有广泛应用前景。

图2 (a): 自主研发的新型qPlus原子力传感器。(b): 新型qPlus传感器的品质因子测试。(c): STM模式下的HOPG表面成像结果。(d): 基于qPlus针尖操纵后NV的探测灵敏度逼近单个质子。(e): 利用浅层NV对磁性针尖的扫描磁场成像。(f): 利用浅层NV对导电针尖的扫描电场成像。

江颖教授和边珂特聘副研究员是文章的共同通讯作者；边珂特聘副研究员、郑闻天博士后（现为莱斯大学Smalley-Curl博士后研究员）和2019级博士研究生陈夏琨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、科学技术部、北京市科学技术委员会、新基石科学基金会和中国博士后基金会等经费的支持。

论文链接：https://doi.org/10.1063/5.0202756