Et scannende kvantesansende mikroskop med nanoskala elektrisk felt-billeddannelse

For nylig, Professor Jiang Ying fra International Center for Quantum Materials and Research Center for Light-Element Advanced Materials ved Peking University, i samarbejde med professor Jörg Wrachtrup fra Stuttgart Universitet og professor Yang Sen fra det kinesiske universitet i Hong Kong, har udviklet et scanning kvante sensing mikroskop ved at bruge en solid state quantum bit (qubit), nitrogen-ledige (NV) center, som kvantesensor. De har, for første gang, realiseret NV-baseret nanoskala elektrisk feltbilleddannelse og dets ladetilstandskontrol, demonstrerer muligheden for at scanne NV-elektrometri. Dette arbejde, med titlen "Nanoskala elektrisk feltbilleddannelse baseret på en kvantesensor og dens ladetilstandskontrol under omgivende forhold, " er blevet offentliggjort i Naturkommunikation .

Nitrogen-vacancy (NV) center er en punktdefekt hostet i diamanten, som betragtes som en af ​​de mest lovende solid-state qubits til kvanteberegning, kvanteinformation og kvantesansning. NV er blevet anvendt som en kraftfuld kvantesensor til at detektere subtile magnetiske/elektriske signaler på en kvantitativ måde, baseret på overvågning af den sammenhængende udvikling af dens kvantetilstand under dens interaktion med det omgivende miljø. Da NV har lang sammenhængstid op til ~ms selv under omgivende forhold, følsomheden af ​​NV er usædvanlig høj, endda gør det muligt at detektere enkelt nuklear/elektronspin. Ved at integrere den lavvandede NV med scanning probe mikroskop (SPM), man kan konstruere scanningsmagnetometri og realisere kvantitativ magnetisk billeddannelse på nanoskala. Imidlertid, kortlægningen af ​​det elektriske felt i nanoskala er ikke blevet opnået indtil videre på grund af den relativt svage koblingsstyrke mellem NV og det elektriske felt, fører til de strenge krav til både sammenhængen af ​​lavvandet NV og stabiliteten af ​​SPM-systemet.

Professor Jiang Ying og hans gruppe har i lang tid været dedikeret til udviklingen af ​​avancerede SPM-systemer. For nylig, de har udviklet en ny generation af qPlus-baseret atomkraftmikroskop (AFM), som skubber opløsningen og følsomheden af ​​SPM til den klassiske grænse og tillader direkte billeddannelse af brintatomer i vandmolekyler. På dette grundlag, denne gruppe integrerede den NV-baserede kvantesensorteknologi i et qPlus-baseret SPM-system, resulterer i det såkaldte scanning quantum sensing mikroskop. På grund af qPlus-sensorens ultrahøje stabilitet, den kan arbejde med meget lille amplitude (~100 pm) ved en tæt spids-overfladeafstand på ~1 nm, hvilket er afgørende for at bevare den gode sammenhæng og opløsning af lavvandet NV. Ved at bruge den enkelte lavvandede NV, holdet var i stand til at kortlægge det lokale elektriske felt fra en forspændt metalspids med en rumlig opløsning på ~10 nm og en følsomhed tæt på en elementær ladning. I fremtiden, denne teknik kan anvendes til at undersøge den lokale afgift, polarisering og dielektrisk respons af de funktionelle materialer fra et mikroskopisk syn.

Ved at bruge dette nye system, holdet indså også den reversible kontrol af enkelt NV's ladetilstande (NV ^ˉ , NV ⁺ og NV ⁰ ), hvor NV ^ˉ bruges som kvantesensor, mens NV ⁺ og NV ⁰ er grundlæggende byggeklodser for kvantelagring til forbedring af signal-til-støj-forholdet for kvanteregistrering. Forskerne fandt ud af, at ved hjælp af fotonioniseringen af ​​excitationslaseren, det lokale elektriske felt af en skarp forspændt spids kan påføres for at opnå den lokale polarisering/depolarisering af diamantoverfladen og inducere ladetilstands-omskifteren af ​​NV med nanoskala-nøjagtighed (ned til 4,6 nm). Dette fund vil hjælpe med at rense NV's umiddelbare elektrostatiske miljø, forbedre NV-sammenhængen og opbygge NV-baserede kvantenetværk.