中国科大发展关联量子传感技术实现点缺陷的三维纳米成像

中国迷信技能年夜学中国迷信院宏观磁共振重点试验室杜江峰、王亚等人正在量子紧密丈量范畴取患上重要进展,提出基于旌旗灯号联系关系的新量子传感范式,完成对金刚石内点缺陷的高精度成像,并及时观测了点缺陷的电荷能源学。这项研究结果以“Correlated sensing with a solid-state quantum multisensor system for atomic-scale structural analysis”为题,于1月5日正在线颁发正在《Nature Photonics》上。比来二十多年时间里,量子传感的成长曾经使患上许多物理量的丈量技能取患了反动性的进展。好比基于纳米标准的金刚石氮-空位色心量子传感器无望完成单份子的布局剖析(杜江峰院士团队后期事情:Nature Physics10, 21 (2014); Science 347, 1135 (2015); Nature Methods 15, 697 (2018))。以磁丈量为例,以后完成布局剖析的量子传感范式需求对标志的自旋探测方针举行量子操控。然而天然界中的许多物理征象既没有包括自旋也无奈间接操控,如半导体中的电荷能源学招致

  中国迷信技能年夜学中国迷信院宏观磁共振重点试验室杜江峰、王亚等人正在量子紧密丈量范畴取患上重要进展,提出基于旌旗灯号联系关系的新量子传感范式,完成对金刚石内点缺陷的高精度成像,并及时观测了点缺陷的电荷能源学。这项研究结果以“Correlated sensing with a solid-state quantum multisensor system for atomic-scale structural analysis”为题,于1月5日正在线颁发正在《Nature Photonics》上。

  比来二十多年时间里,量子传感的成长曾经使患上许多物理量的丈量技能取患了反动性的进展。好比基于纳米标准的金刚石氮-空位色心量子传感器无望完成单份子的布局剖析(杜江峰院士团队后期事情:Nature Physics 10, 21 (2014); Science 347, 1135 (2015); Nature Methods 15, 697 (2018))。以磁丈量为例,以后完成布局剖析的量子传感范式需求对标志的自旋探测方针举行量子操控。然而天然界中的许多物理征象既没有包括自旋也无奈间接操控,如半导体中的电荷能源学招致的随电机报旌旗灯号等。更重要的是,当多个探测对象旌旗灯号堆叠彼此滋扰,单个量子传感器将无奈对旌旗灯号举行有用提取与阐发。

  为此本事情提出了一种新的量子传感范式,即哄骗多个量子传感器之间的旌旗灯号联系关系,晋升对庞大对象的剖析才能以及重构精度。研究团队基于自立成长的氮-空位色心制备技能,可节制备出相距约200纳米的三个氮-空位色心作为量子传感体系,经由过程对随电机场探测展示了这类新的量子传感范式。

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  图:(a)试验系统的示用意,小图为本事情中应用的三色心系统的超辨别成像;(b)共振荧光引发谱的谱峰位置涨降,对应了每一个色心处的电场涨降;(c)哄骗三个色心的电场涨降旌旗灯号之间的联系关系可以辨别出没有同的缺陷;(d)量子定位体系的示用意;(e)正在三个色心四周定位出的16个点缺陷。

  金刚石是一种机能优秀的宽禁带半导体资料,资料中点缺陷的电荷能源学会带来随机的电场噪声。本事情中,哄骗金刚石氮-空位色心引发态的直流斯塔克效应来完成对电场的传感。当某个点缺陷的电荷状况产生转变时,三个氮-空位色心可以同时探测到因电荷变迁而惹起的电场变迁。哄骗三个色心间电场同时变迁的联系关系特性,可以从混乱无章的涨降电场中剖析出每一个点缺陷对应的电场。而且因为每一个点缺陷以及三个氮-空位色心的绝对空间位置没有同,就能够凭据每一个氮-空位色心所感触感染到的电场标的目的以及巨细的没有同,来准确定位出点缺陷的空间位置。应用这类近似于卫星定位的量子定位技能,研究团队胜利对微米规模内16个点缺陷举行了定位,定位精度最高到达1.7纳米。基于这类联系关系辨别以及准确定位的才能,研究团队还完成了对每一个点缺陷电荷能源学的原位及时探测,为研究体资料外部点缺陷的性子供给了新的要领。

  这一结果展示了基于量子技能的超高活络度缺陷探测,可对0.01ppb级另外缺陷浓度(一千亿个失常原子中泛起一个缺陷)举行探测。这要比今朝最活络要领的探测极限晋升两个量级以上,无望为以后十纳米如下芯片中的缺陷检测供给一种强无力的技能手腕。

  中国迷信院宏观磁共振重点试验室特任副研究员季文韬、博士研究生刘昭昕与郭宇航为本事情配合第一作者,杜江峰院士、王亚传授为配合通信作者。此项研究获得了国度天然迷信基金委、中国迷信院、科技部以及安徽省的赞助。

  论文链接:https://www.nature.com/articles/s41566-023-01352-4