量子精密測量研究重要進展：基于NV色心的納米尺度電探測新方法

據悉，近日中科院微觀磁共振重點實驗室杜江峰、石發展、王亞等人在金剛石單自旋量子精密測量研究方向取得重要進展，提出并通過實驗實現了一種以金剛石氮-空位（NV）色心單自旋為量子傳感器（以下簡稱“金剛石量子傳感器”）的電探測方法，并首次通過磁抑制的NV色心實現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方向的應用提供新的途徑。且該研究成果以“編輯推薦”形式發表在近期的《物理評論快報》上 [Nanoscale Electrometry Based on a Magnetic-Field-Resistant Spin Sensor, Phys. Rev. Lett. 124, 247701 (2020)]。

 對電、磁等基本物理量高分辨率高靈敏度的探測在物理、材料、生命科學等領域均有重要應用。金剛石中的NV色心以其室溫大氣環境下*的相干性質而成為高靈敏的磁量子傳感器，在磁性探測與成像方面兼具高靈敏度高分辨率的綜合優勢，已用于單分子磁共振和納米尺度磁成像等領域[杜江峰團隊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，NV色心作為電信號量子傳感器早在2011年被提出[Nat. Phys. 7, 459 (2011)]，且被證明在室溫大氣環境下具備單個電荷的探測靈敏度，目前已實現對金剛石體內的電荷與電場探測。但NV色心作為量子傳感器，最終實用化的目標是將其應用于金剛石體外信號表征。為了將NV色心用于金剛石體外樣品的電信號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境復雜，NV色心易受到磁信號干擾，限制了其對電場探測的實際應用。

圖 1：(a) 實驗示意圖，金剛石表面覆蓋電極施加電場，旁邊放上通電流的螺線管施加磁場。(b) NV色心新本征態的能級隨電極電壓（即電場，紅線及圓環所示）與螺線管內電流（即磁場，藍線及方塊所示）的關系，可見其僅對電場變化有響應。

為了解決這一局限性，該研究提出了一種能抑制磁信號和噪聲同時對電場敏感的方法。NV色心作為一種自旋體系，其對磁場具有天然的敏感性，相對而言對電場的敏感度較低，因此消除磁場干擾是電探測的前提。研究中設計了一種連續動力學解耦序列，形成特定的綴飾態空間，有效地抑制了NV色心對磁場的響應，同時保留對電場的線性響應（如圖1所示），從而構建了一個更加有效的電信號量子傳感器。更進一步，研究人員利用這種新的電探測方法，研究了金剛石近表面的電噪聲分布。過去認為金剛石近表面NV色心感受到的噪聲主要來源于金剛石上表面分布的未配對電子或自旋引起的電磁噪聲。另外，他們還發現除了金剛石上表面的電噪聲，距離金剛石表面約10納米深的內部（NV色心周圍）的電噪聲也不可忽略。通過建立模型與定量的實驗研究這兩處電噪聲，發現它們之間存在顯著的相關性。這種定量的探測和分析是以往研究方式無法實現的，而新方法對磁噪聲呈現出高度抑制的作用，因此可以被用于金剛石近表面純電噪聲信息的提取。這有助于更準確地分析表面噪聲的性質和來源，從而進行針對性的消除。

該研究成果驗證了新的基于金剛石量子傳感器的電探測方法，這種方法相對于以往基于NV色心的電探測方式大幅增強了對磁噪聲的抑制，從而延長了其相干時間并提高了電探測的靈敏度。該方法非常適用于電磁場共存樣品的表征，例如多鐵材料。結合NV色心高分辨成像的特性，有望在材料的電磁性質表征領域取得重要應用。除此之外，該方法同樣具有室溫大氣環境下單個電子電荷的探測靈敏度，其可應用于凝聚態以及半導體等材料的電信號表征。

國儀量子公司發布的量子鉆石單自旋譜儀，也可應用于該類研究，用于驗證實現基于金剛石氮-空位（NV）色心量子傳感器的高分辨電磁探測。量子鉆石單自旋譜儀是一臺基于NV色心的以自旋磁共振為原理的量子實驗平臺，通過控制光、電、磁等基本物理量，實現對鉆石中氮?空位（NV色心）發光缺陷的自旋進行量子操控與讀出，與傳統順磁共振、核磁共振相比，具有初態是量子純態，自旋量子相干時間長，量子操控能力強大，量子塌縮測量實驗結果直觀等*優勢。

量子鉆石單自旋譜儀在譜學分析和結構解析等應用中具有獨到優勢，可實現單蛋白等單分子電子順磁共振，納米尺度核磁共振，活體細胞溫度、磁場、動作電位探測等。

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