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據(jù)中國(guó)科學(xué)院網(wǎng)站10月23日消息，中國(guó)科大郭光燦院士團(tuán)隊(duì)在實(shí)用化量子傳感的研究中取得重要進(jìn)展，該團(tuán)隊(duì)的孫方穩(wěn)小組實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)50納米空間分辨力高精度多功能量子傳感。該系列研究成果發(fā)表在應(yīng)用物理權(quán)威期刊《Physical Review Applied》上。

微納光電子技術(shù)已經(jīng)成為當(dāng)前信息領(lǐng)域的核心技術(shù)之一，同時(shí)也在能源、環(huán)境、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。一般情況下，微納光電子器件具有尺寸小、電磁場(chǎng)強(qiáng)度低且易受干擾等特點(diǎn)。因此，微納電磁場(chǎng)探測(cè)技術(shù)需要同時(shí)解決高空間分辨力、高測(cè)量靈敏度及對(duì)待測(cè)量非破壞性等難題和挑戰(zhàn)。中國(guó)科大實(shí)驗(yàn)室孫方穩(wěn)小組聚焦于上述微納電磁場(chǎng)測(cè)量的挑戰(zhàn)和難點(diǎn)，提出利用量子傳感和量子探針等新思想和新方法，發(fā)展了具有納米級(jí)空間分辨力的遠(yuǎn)場(chǎng)光學(xué)超分辨成像新技術(shù)。結(jié)合高保真度量子態(tài)調(diào)控技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了同時(shí)具有高空間分辨力、高測(cè)量靈敏度及對(duì)待測(cè)量非破壞的微納電磁場(chǎng)測(cè)量技術(shù)。

中國(guó)科大實(shí)現(xiàn)納米級(jí)空間分辨電磁場(chǎng)量子傳感 圖自中科院網(wǎng)站

孫方穩(wěn)小組首先基于金剛石氮-空位色心中電荷態(tài)的調(diào)控，提出并實(shí)現(xiàn)了具有納米級(jí)空間分辨力超低泵浦功率的電荷態(tài)耗盡納米成像術(shù)（Charge State Depletion nanoscopy，CSD），實(shí)現(xiàn)了4.1納米空間分辨力的電子自旋量子態(tài)的成像與檢測(cè)。實(shí)驗(yàn)獲得的成像分辨力是光學(xué)衍射極限的1/86，超過(guò)了受激輻射損耗熒光顯微成像術(shù)(STimulated Emission Depletion microscopy, STED，2014年度諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng))所獲得的1/67的精度，所用的泵浦功率僅僅是STED成像術(shù)的1/1000，將有望能應(yīng)用在活體生物檢測(cè)中。該工作發(fā)表在Phys. Rev. Appl. 7, 014008 (2017) 上，并選為當(dāng)期編輯推薦論文。此外，提出時(shí)間門控技術(shù)，實(shí)現(xiàn)成像信號(hào)對(duì)比度的提高，完成了高對(duì)比度的量子成像。工作發(fā)表在Phys. Rev. Appl. 11, 064024 (2019) 上。進(jìn)一步，將CSD納米成像術(shù)與熒光壽命成像、光學(xué)偏振態(tài)檢測(cè)、電子自旋態(tài)高保真度量子操控技術(shù)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了對(duì)金屬納米線結(jié)構(gòu)所攜帶的光場(chǎng)態(tài)密度、偏振、電流及其產(chǎn)生的磁場(chǎng)等多個(gè)物理量的進(jìn)行了非破壞性測(cè)量，空間分辨力達(dá)50納米。因?yàn)榭臻g分辨力的提高，使得該微納光電磁場(chǎng)的探測(cè)精準(zhǔn)度超過(guò)了96%。該工作發(fā)表在Phys. Rev. Appl. 12, 044039 (2019) 上。

該系列工作為高空間分辨力非破壞電磁場(chǎng)檢測(cè)和實(shí)用化的量子傳感打下了基礎(chǔ)，將應(yīng)用在微納電磁場(chǎng)及光電子芯片的檢測(cè)，以及微納尺度電磁場(chǎng)與物質(zhì)相互作用的研究。此外，相對(duì)于生物分子的高空間分辨力成像，該工作還拓寬了遠(yuǎn)場(chǎng)超分辨成像技術(shù)的應(yīng)用場(chǎng)景。

該系列論文的第一作者是中科院量子信息重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室陳向東副研究員。上述研究得到科技部、國(guó)家基金委、中國(guó)科學(xué)院和安徽省的支持。

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