中國科學技術大學中國科學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域取得重要進展，提出基于信號關聯(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。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)單分子的結構解析（杜江峰院士團隊前期工作：Nature Physics10, 21 (2014);Science 347, 1135 (2015);Nature Methods 15, 697 (2018)）。以磁測量為例，當前實現(xiàn)結構解析的量子傳感范式需要對標記的自旋探測目標進行量子操控。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，如半導體中的電荷動力學導致的隨機電報信號等。更重要的是，當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聯(lián)，提升對復雜對象的解析能力和重構精度。研究團隊基于自主發(fā)展的氮-空位色心制備技術，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。

圖：（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)異的寬禁帶半導體材料，材料中點缺陷的電荷動力學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)的直流斯塔克效應來實現(xiàn)對電場的傳感。當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，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?；谶@種關聯(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的超高靈敏度缺陷探測，可對0.01ppb級別的缺陷濃度（一千億個正常原子中出現(xiàn)一個缺陷）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，有望為當前十納米以下芯片中的缺陷檢測提供一種強有力的技術手段。

中國科學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基金委、中國科學院、科技部和安徽省的資助。

論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41566-023-01352-4

（中國科學院微觀磁共振重點實驗室、物理學院、中國科學院量子信息和量子科技創(chuàng)新研究院、科研部）