中國科大實現(xiàn)納米級空間分辨電磁場量子傳感

中國科大郭光燦院士團(tuán)隊在實用化量子傳感的研究中取得重要進(jìn)展，該團(tuán)隊的孫方穩(wěn)小組實驗實現(xiàn)50納米空間分辨力高精度多功能量子傳感。該系列研究成果發(fā)表在應(yīng)用物理權(quán)威期刊《Physical Review Applied》上。

微納光電子技術(shù)已經(jīng)成為當(dāng)前信息領(lǐng)域的核心技術(shù)之一，同時也在能源、環(huán)境、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。一般情況下，微納光電子器件具有尺寸小、電磁場強(qiáng)度低且易受干擾等特點。因此，微納電磁場探測技術(shù)需要同時解決高空間分辨力、高測量靈敏度及對待測量非破壞性等難題和挑戰(zhàn)。我實驗室孫方穩(wěn)小組聚焦于上述微納電磁場測量的挑戰(zhàn)和難點，提出利用量子傳感和量子探針等新思想和新方法，發(fā)展了具有納米級空間分辨力的遠(yuǎn)場光學(xué)超分辨成像新技術(shù)。結(jié)合高保真度量子態(tài)調(diào)控技術(shù)，實現(xiàn)了同時具有高空間分辨力、高測量靈敏度及對待測量非破壞的微納電磁場測量技術(shù)。

孫方穩(wěn)小組首先基于金剛石氮-空位色心中電荷態(tài)的調(diào)控，提出并實現(xiàn)了具有納米級空間分辨力超低泵浦功率的電荷態(tài)耗盡納米成像術(shù)（Charge State Depletion nanoscopy，CSD），實現(xiàn)了4.1納米空間分辨力的電子自旋量子態(tài)的成像與檢測。實驗獲得的成像分辨力是光學(xué)衍射極限的1/86，超過了受激輻射損耗熒光顯微成像術(shù)(STimulated Emission Depletion microscopy, STED，2014年度諾貝爾化學(xué)獎)所獲得的1/67的精度，所用的泵浦功率僅僅是STED成像術(shù)的1/1000，將有望能應(yīng)用在活體生物檢測中。該工作發(fā)表在Phys. Rev. Appl. 7, 014008 (2017) 上，并選為當(dāng)期編輯推薦論文。此外，提出時間門控技術(shù)，實現(xiàn)成像信號對比度的提高，完成了高對比度的量子成像。工作發(fā)表在Phys. Rev. Appl. 11, 064024 (2019) 上。進(jìn)一步，將CSD納米成像術(shù)與熒光壽命成像、光學(xué)偏振態(tài)檢測、電子自旋態(tài)高保真度量子操控技術(shù)相結(jié)合，實現(xiàn)了對金屬納米線結(jié)構(gòu)所攜帶的光場態(tài)密度、偏振、電流及其產(chǎn)生的磁場等多個物理量的進(jìn)行了非破壞性測量，空間分辨力達(dá)50納米。因為空間分辨力的提高，使得該微納光電磁場的探測精準(zhǔn)度超過了96%。 

該系列工作為高空間分辨力非破壞電磁場檢測和實用化的量子傳感打下了基礎(chǔ)，將應(yīng)用在微納電磁場及光電子芯片的檢測，以及微納尺度電磁場與物質(zhì)相互作用的研究。此外，相對于生物分子的高空間分辨力成像，該工作還拓寬了遠(yuǎn)場超分辨成像技術(shù)的應(yīng)用場景。

該系列論文的第一作者是中科院量子信息重點實驗室陳向東副研究員。上述研究得到科技部、國家基金委、中國科學(xué)院和安徽省的支持。