Nyligen, Professor Jiang Ying från International Center for Quantum Materials and Research Center for Light-Element Advanced Materials vid Peking University, i samarbete med professor Jörg Wrachtrup från Stuttgart University och professor Yang Sen från Chinese University of Hong Kong, har utvecklat ett scannande kvantavkänningsmikroskop genom att använda en solid-state kvantbit (qubit), kväve-vakans (NV) centrum, som kvantsensor. De har, för första gången, realiserat NV-baserad nanoskala elektrisk fältavbildning och dess kontroll av laddningstillstånd, visar möjligheten att skanna NV -elektrometri. Detta jobb, titeln "Nanoskala elektrisk fältavbildning baserad på en kvantsensor och dess kontroll av laddningstillstånd under omgivningsförhållanden, " har publicerats i Naturkommunikation .

Nitrogen-vacancy (NV) center är en punktdefekt som finns i diamanten, som anses vara en av de mest lovande solid-state qubitarna för kvantberäkning, kvantinformation och kvantavkänning. NV har tillämpats som en kraftfull kvantsensor för att detektera subtila magnetiska/elektriska signaler på ett kvantitativt sätt, baserat på att övervaka den koherenta utvecklingen av dess kvanttillstånd under dess interaktion med den omgivande miljön. Eftersom NV har lång koherenstid upp till ~ms även under omgivningsförhållanden, känsligheten för NV är exceptionellt hög, till och med tillåta att detektera enstaka kärn-/elektronspin. Genom att integrera den grunda NV med scanning probe microscope (SPM), man kan konstruera skannande magnetometri och realisera kvantitativ magnetisk avbildning i nanoskala. Dock, kartläggningen av elektriska fält i nanoskala har inte uppnåtts hittills på grund av den relativt svaga kopplingsstyrkan mellan NV och det elektriska fältet, vilket leder till de stränga kraven på både sammanhållningen av ytlig NV och stabiliteten i SPM-systemet.

Professor Jiang Ying och hans grupp har länge ägnat sig åt utvecklingen av avancerade SPM -system. Nyligen, de har utvecklat en ny generation qPlus-baserat atomkraftmikroskop (AFM), som pressar upplösningen och känsligheten hos SPM till den klassiska gränsen och tillåter direkt avbildning av väteatomer i vattenmolekyler. Utifrån detta, denna grupp integrerade den NV-baserade kvantavkänningstekniken i ett qPlus-baserat SPM-system, vilket resulterar i det så kallade scanning quantum sensing mikroskopet. På grund av den ultrahöga stabiliteten hos qPlus-sensorn, det kan fungera med mycket liten amplitud (~ 100 pm) vid ett nära spetsyteavstånd på ~ 1 nm, vilket är avgörande för att upprätthålla den goda koherensen och upplösningen av grunt NV. Med den enda grunda NV, laget kunde kartlägga det lokala elektriska fältet från en förspänd metallspets med en rumslig upplösning på ~ 10 nm och en känslighet nära en elementär laddning. I framtiden, denna teknik kan användas för att undersöka den lokala avgiften, polarisation och dielektrisk respons hos de funktionella materialen från en mikroskopisk vy.

Med detta nya system, teamet insåg också den reversibla kontrollen av enstaka NV:s laddningstillstånd (NV ^ˉ , NV ⁺ och NV ⁰ ), där NV ^ˉ används som kvantsensor, medan NV ⁺ och NV ⁰ är grundläggande byggstenar för kvantlagring för att förbättra signal-brusförhållandet för kvantavkänning. Forskarna fann att med hjälp av fotonjoniseringen av excitationslasern, det lokala elektriska fältet för en skarp förspänd spets kan appliceras för att uppnå den lokala polariseringen/depolariseringen av diamantytan och inducera laddningstillståndsomkopplaren för NV med nanoskala noggrannhet (ned till 4,6 nm). Detta fynd kommer att hjälpa till att rena NV:s omedelbara elektrostatiska miljö, förbättra NV-koherensen och bygg upp NV-baserade kvantnätverk.