中国科大发展关联量子传感技术实现点缺陷的三维纳米成像

中国科学技术大学中国科学院微观磁共振重点实验室杜江峰、王亚等人在量子精密测量领域取得重要进展，提出基于信号关联的新量子传感范式，实现对金刚石内点缺陷的高精度成像，并实时观测了点缺陷的电荷动力学。这项研究成果以“Correlated sensing with a solid-state quantum multisensor system for atomic-scale structural analysis”为题，于1月5日在线发表在《Nature Photonics》上。

最近二十多年时间里，量子传感的发展已经使得很多物理量的测量技术取得了革命性的进展。比如基于纳米尺度的金刚石氮-空位色心量子传感器有望实现单分子的结构解析（杜江峰院士团队前期工作：Nature Physics10, 21 (2014);Science 347, 1135 (2015);Nature Methods 15, 697 (2018)）。以磁测量为例，当前实现结构解析的量子传感范式需要对标记的自旋探测目标进行量子操控。然而自然界中的很多物理现象既不包含自旋也无法直接操控，如半导体中的电荷动力学导致的随机电报信号等。更重要的是，当多个探测对象信号重叠相互干扰，单个量子传感器将无法对信号进行有效提取与分析。

为此本工作提出了一种新的量子传感范式，即利用多个量子传感器之间的信号关联，提升对复杂对象的解析能力和重构精度。研究团队基于自主发展的氮-空位色心制备技术，可控制备出相距约200纳米的三个氮-空位色心作为量子传感系统，通过对随机电场探测展示了这种新的量子传感范式。

图：（a）实验体系的示意图，小图为本工作中使用的三色心体系的超分辨成像；（b）共振荧光激发谱的谱峰位置涨落，对应了每个色心处的电场涨落；（c）利用三个色心的电场涨落信号之间的关联可以分辨出不同的缺陷；（d）量子定位系统的示意图；（e）在三个色心周围定位出的16个点缺陷。

金刚石是一种性能优异的宽禁带半导体材料，材料中点缺陷的电荷动力学会带来随机的电场噪声。本工作中，利用金刚石氮-空位色心激发态的直流斯塔克效应来实现对电场的传感。当某个点缺陷的电荷状态发生改变时，三个氮-空位色心可以同时探测到因电荷变化而引起的电场变化。利用三个色心间电场同时变化的关联特征，可以从杂乱无章的涨落电场中解析出每个点缺陷对应的电场。并且由于每个点缺陷和三个氮-空位色心的相对空间位置不同，就可以根据每个氮-空位色心所感受到的电场方向和大小的不同，来精确定位出点缺陷的空间位置。使用这种类似于卫星定位的量子定位技术，研究团队成功对微米范围内16个点缺陷进行了定位，定位精度最高达到1.7纳米。基于这种关联分辨和精确定位的能力，研究团队还实现了对每个点缺陷电荷动力学的原位实时探测，为研究体材料内部点缺陷的性质提供了新的方法。

这一成果展示了基于量子技术的超高灵敏度缺陷探测，可对0.01ppb级别的缺陷浓度（一千亿个正常原子中出现一个缺陷）进行探测。这要比目前最灵敏方法的探测极限提升两个量级以上，有望为当前十纳米以下芯片中的缺陷检测提供一种强有力的技术手段。