如何利用關(guān)聯(lián)量子傳感技術(shù)實現(xiàn)點缺陷的三維納米成像

近期，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)、中國科學(xué)院微觀磁共振重點實驗室杜江峰、王亞等人在量子精密測量領(lǐng)域取得重要進展，提出基于信號關(guān)聯(lián)的新量子傳感范式，實現(xiàn)對金剛石內(nèi)點缺陷的高精度成像，并實時觀測了點缺陷的電荷動力學(xué)。這項研究成果以“Correlated sensing with a solid-state quantum multisensor system for atomic-scale structural analysis”為題，于1月5日在線發(fā)表在《Nature Photonics》上。

最近二十多年時間里，量子傳感的發(fā)展已經(jīng)使得很多物理量的測量技術(shù)取得了革命性的進展。比如基于納米尺度的金剛石氮-空位色心量子傳感器有望實現(xiàn)單分子的結(jié)構(gòu)解析（杜江峰院士團隊前期工作：Nature Physics10, 21 (2014); Science 347, 1135 (2015); Nature Methods15, 697 (2018)）。以磁測量為例，當(dāng)前實現(xiàn)結(jié)構(gòu)解析的量子傳感范式需要對標(biāo)記的自旋探測目標(biāo)進行量子操控。然而自然界中的很多物理現(xiàn)象既不包含自旋也無法直接操控，如半導(dǎo)體中的電荷動力學(xué)導(dǎo)致的隨機電報信號等。更重要的是，當(dāng)多個探測對象信號重疊相互干擾，單個量子傳感器將無法對信號進行有效提取與分析。

為此本工作提出了一種新的量子傳感范式，即利用多個量子傳感器之間的信號關(guān)聯(lián)，提升對復(fù)雜對象的解析能力和重構(gòu)精度。研究團隊基于自主發(fā)展的氮-空位色心制備技術(shù)，可控制備出相距約200納米的三個氮-空位色心作為量子傳感系統(tǒng)，通過對隨機電場探測展示了這種新的量子傳感范式。

（a）實驗體系的示意圖，小圖為本工作中使用的三色心體系的超分辨成像；（b）共振熒光激發(fā)譜的譜峰位置漲落，對應(yīng)了每個色心處的電場漲落；（c）利用三個色心的電場漲落信號之間的關(guān)聯(lián)可以分辨出不同的缺陷；（d）量子定位系統(tǒng)的示意圖；（e）在三個色心周圍定位出的16個點缺陷。

金剛石是一種性能優(yōu)異的寬禁帶半導(dǎo)體材料，材料中點缺陷的電荷動力學(xué)會帶來隨機的電場噪聲。本工作中，利用金剛石氮-空位色心激發(fā)態(tài)的直流斯塔克效應(yīng)來實現(xiàn)對電場的傳感。當(dāng)某個點缺陷的電荷狀態(tài)發(fā)生改變時，三個氮-空位色心可以同時探測到因電荷變化而引起的電場變化。利用三個色心間電場同時變化的關(guān)聯(lián)特征，可以從雜亂無章的漲落電場中解析出每個點缺陷對應(yīng)的電場。并且由于每個點缺陷和三個氮-空位色心的相對空間位置不同，就可以根據(jù)每個氮-空位色心所感受到的電場方向和大小的不同，來精確定位出點缺陷的空間位置。使用這種類似于衛(wèi)星定位的量子定位技術(shù)，研究團隊成功對微米范圍內(nèi)16個點缺陷進行了定位，定位精度最高達到1.7納米。基于這種關(guān)聯(lián)分辨和精確定位的能力，研究團隊還實現(xiàn)了對每個點缺陷電荷動力學(xué)的原位實時探測，為研究體材料內(nèi)部點缺陷的性質(zhì)提供了新的方法。

這一成果展示了基于量子技術(shù)的超高靈敏度缺陷探測，可對0.01ppb級別的缺陷濃度進行探測。這要比目前最靈敏方法的探測極限提升兩個量級以上，有望為當(dāng)前十納米以下芯片中的缺陷檢測提供一種強有力的技術(shù)手段。

中國科學(xué)院微觀磁共振重點實驗室特任副研究員季文韜、博士研究生劉昭昕與郭宇航為本工作共同第一作者，杜江峰院士、王亞教授為共同通訊作者。此項研究得到了國家自然科學(xué)基金委、中國科學(xué)院、科技部和安徽省的資助。

審核編輯：劉清