高精度三維納米成像

中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)中國(guó)科學(xué)院微觀磁共振重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室杜江峰、王亞等人在量子精密測(cè)量領(lǐng)域取得重要進(jìn)展，提出基于信號(hào)關(guān)聯(lián)的新量子傳感范式，實(shí)現(xiàn)對(duì)金剛石內(nèi)點(diǎn)缺陷的高精度成像，并實(shí)時(shí)觀測(cè)了點(diǎn)缺陷的電荷動(dòng)力學(xué)。這項(xiàng)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(shí)間里，量子傳感的發(fā)展已經(jīng)使得很多物理量的測(cè)量技術(shù)取得了革命性的進(jìn)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(shí)現(xiàn)單分子的結(jié)構(gòu)解析（杜江峰院士團(tuán)隊(duì)前期工作：Nature Physics10, 21 (2014);Science 347, 1135 (2015);Nature Methods 15, 697 (2018)）。以磁測(cè)量為例，當(dāng)前實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)解析的量子傳感范式需要對(duì)標(biāo)記的自旋探測(cè)目標(biāo)進(jìn)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(dòng)力學(xué)導(dǎo)致的隨機(jī)電報(bào)信號(hào)等。更重要的是，當(dāng)多個(gè)探測(cè)對(duì)象信號(hào)重疊相互干擾，單個(gè)量子傳感器將無法對(duì)信號(hào)進(jìn)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(gè)量子傳感器之間的信號(hào)關(guān)聯(lián)，提升對(duì)復(fù)雜對(duì)象的解析能力和重構(gòu)精度。研究團(tuán)隊(duì)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(gè)氮-空位色心作為量子傳感系統(tǒng)，通過對(duì)隨機(jī)電場(chǎng)探測(cè)展示了這種新的量子傳感范式。

圖片:769CC65D83EDA71919ADE82FCC5_BF0E1A53_6686E.png

圖.（a）實(shí)驗(yàn)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(duì)應(yīng)了每個(gè)色心處的電場(chǎng)漲落；（c）利用三個(gè)色心的電場(chǎng)漲落信號(hào)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(gè)色心周圍定位出的16個(gè)點(diǎn)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(diǎn)缺陷的電荷動(dòng)力學(xué)會(huì)帶來隨機(jī)的電場(chǎng)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(shí)現(xiàn)對(duì)電場(chǎng)的傳感。當(dāng)某個(gè)點(diǎn)缺陷的電荷狀態(tài)發(fā)生改變時(shí)，三個(gè)氮-空位色心可以同時(shí)探測(cè)到因電荷變化而引起的電場(chǎng)變化。利用三個(gè)色心間電場(chǎng)同時(shí)變化的關(guān)聯(lián)特征，可以從雜亂無章的漲落電場(chǎng)中解析出每個(gè)點(diǎn)缺陷對(duì)應(yīng)的電場(chǎng)。并且由于每個(gè)點(diǎn)缺陷和三個(gè)氮-空位色心的相對(duì)空間位置不同，就可以根據(jù)每個(gè)氮-空位色心所感受到的電場(chǎng)方向和大小的不同，來精確定位出點(diǎn)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(tuán)隊(duì)成功對(duì)微米范圍內(nèi)16個(gè)點(diǎn)缺陷進(jìn)行了定位，定位精度最高達(dá)到1.7納米�；�于這種關(guān)聯(lián)分辨和精確定位的能力，研究團(tuán)隊(duì)還實(shí)現(xiàn)了對(duì)每個(gè)點(diǎn)缺陷電荷動(dòng)力學(xué)的原位實(shí)時(shí)探測(cè)，為研究體材料內(nèi)部點(diǎn)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(cè)，可對(duì)0.01ppb級(jí)別的缺陷濃度（一千億個(gè)正常原子中出現(xiàn)一個(gè)缺陷）進(jìn)行探測(cè)。這要比目前最靈敏方法的探測(cè)極限提升兩個(gè)量級(jí)以上，有望為當(dāng)前十納米以下芯片中的缺陷檢測(cè)提供一種強(qiáng)有力的技術(shù)手段。

中國(guó)科學(xué)院微觀磁共振重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(xiàng)研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金委、中國(guó)科學(xué)院、科技部和安徽省的資助。

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