據悉，近日中科院微觀(guān)磁共振重點(diǎn)實(shí)驗室杜江峰、石發(fā)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(jìn)展，提出并通過(guò)實(shí)驗實(shí)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(jiǎn)稱(chēng)“金剛石量子傳感器”）的電探測方法，并首次通過(guò)磁抑制的NV色心實(shí)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(fā)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(xué)等領(lǐng)域均有重要應用。金剛石中的NV色心以其室溫大氣環(huán)境下*的相干性質(zhì)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(yōu)勢，已用于單分子磁共振和納米尺度磁成像等領(lǐng)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(shí)，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(huán)境下具備單個(gè)電荷的探測靈敏度，目前已實(shí)現對金剛石體內的電荷與電場(chǎng)探測。但NV色心作為量子傳感器，最終實(shí)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(huán)境復雜，NV色心易受到磁信號干擾，限制了其對電場(chǎng)探測的實(shí)際應用。

圖 1：(a) 實(shí)驗示意圖，金剛石表面覆蓋電極施加電場(chǎng)，旁邊放上通電流的螺線(xiàn)管施加磁場(chǎng)。(b) NV色心新本征態(tài)的能級隨電極電壓（即電場(chǎng)，紅線(xiàn)及圓環(huán)所示）與螺線(xiàn)管內電流（即磁場(chǎng)，藍線(xiàn)及方塊所示）的關(guān)系，可見(jiàn)其僅對電場(chǎng)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(shí)對電場(chǎng)敏感的方法。NV色心作為一種自旋體系，其對磁場(chǎng)具有天然的敏感性，相對而言對電場(chǎng)的敏感度較低，因此消除磁場(chǎng)干擾是電探測的前提。研究中設計了一種連續動(dòng)力學(xué)解耦序列，形成特定的綴飾態(tài)空間，有效地抑制了NV色心對磁場(chǎng)的響應，同時(shí)保留對電場(chǎng)的線(xiàn)性響應（如圖1所示），從而構建了一個(gè)更加有效的電信號量子傳感器。更進(jìn)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(guò)去認為金剛石近表面NV色心感受到的噪聲主要來(lái)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(fā)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?chē)┑碾娫肼曇膊豢珊雎?。通過(guò)建立模型與定量的實(shí)驗研究這兩處電噪聲，發(fā)現它們之間存在顯著(zhù)的相關(guān)性。這種定量的探測和分析是以往研究方式無(wú)法實(shí)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(zhì)和來(lái)源，從而進(jìn)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(cháng)了其相干時(shí)間并提高了電探測的靈敏度。該方法非常適用于電磁場(chǎng)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(zhì)表征領(lǐng)域取得重要應用。除此之外，該方法同樣具有室溫大氣環(huán)境下單個(gè)電子電荷的探測靈敏度，其可應用于凝聚態(tài)以及半導體等材料的電信號表征。

國儀量子公司發(fā)布的量子鉆石單自旋譜儀，也可應用于該類(lèi)研究，用于驗證實(shí)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(shí)驗平臺，通過(guò)控制光、電、磁等基本物理量，實(shí)現對鉆石中氮?空位（NV色心）發(fā)光缺陷的自旋進(jìn)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(tài)是量子純態(tài)，自旋量子相干時(shí)間長(cháng)，量子操控能力強大，量子塌縮測量實(shí)驗結果直觀(guān)等*優(yōu)勢。

量子鉆石單自旋譜儀在譜學(xué)分析和結構解析等應用中具有獨到優(yōu)勢，可實(shí)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(chǎng)、動(dòng)作電位探測等。

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