Onlangs, Professor Jiang Ying van het International Center for Quantum Materials en Research Center for Light-Element Advanced Materials van de Universiteit van Peking, in samenwerking met professor Jörg Wrachtrup van de universiteit van Stuttgart en professor Yang Sen van de Chinese universiteit van Hong Kong, heeft een scanning quantum sensing microscoop ontwikkeld door gebruik te maken van een solid-state quantum bit (qubit), stikstof-leegstand (NV) centrum, als de kwantumsensor. Zij hebben, Voor de eerste keer, gerealiseerde op NV gebaseerde elektrische veldbeeldvorming op nanoschaal en de controle van de laadtoestand, demonstreren van de mogelijkheid om NV-elektrometrie te scannen. Dit werk, getiteld "Elektrische veldbeeldvorming op nanoschaal op basis van een kwantumsensor en de controle van de laadtoestand onder omgevingscondities, " is gepubliceerd in Natuurcommunicatie .

Stikstof-leegstand (NV) centrum is een puntdefect gehost in de diamant, die wordt beschouwd als een van de meest veelbelovende qubits in vaste toestand voor kwantumberekening, kwantuminformatie en kwantumdetectie. De NV is toegepast als een krachtige kwantumsensor voor het kwantitatief detecteren van subtiele magnetische/elektrische signalen, gebaseerd op het monitoren van de coherente evolutie van zijn kwantumtoestand tijdens zijn interactie met de omgeving. Aangezien de NV een lange coherentietijd heeft tot ~ms, zelfs onder omgevingscondities, de gevoeligheid van NV is uitzonderlijk hoog, zelfs toestaan ​​om enkele nucleaire / elektronenspin te detecteren. Door de ondiepe NV te integreren met scanning probe microscope (SPM), men kan scanning magnetometrie construeren en kwantitatieve magnetische beeldvorming op nanoschaal realiseren. Echter, het in kaart brengen van het elektrisch veld op nanoschaal is tot nu toe niet bereikt vanwege de relatief zwakke koppelingssterkte tussen NV en het elektrische veld, wat leidt tot de hoge eisen aan zowel de samenhang van ondiepe NV als de stabiliteit van het SPM-systeem.

Professor Jiang Ying en zijn groep zijn lange tijd toegewijd aan de ontwikkeling van geavanceerde SPM-systemen. Onlangs, ze hebben een nieuwe generatie op qPlus gebaseerde atomic force microscope (AFM) ontwikkeld, die de resolutie en gevoeligheid van SPM tot de klassieke limiet duwt en de directe beeldvorming van waterstofatoom in watermoleculen mogelijk maakt. Op deze basis, deze groep integreerde de op NV gebaseerde kwantumdetectietechnologie in een op qPlus gebaseerd SPM-systeem, resulterend in de zogenaamde scanning quantum sensing microscoop. Vanwege de ultrahoge stabiliteit van de qPlus-sensor, het kan werken met een zeer kleine amplitude (~ 100 pm) op een korte tip-oppervlakteafstand van ~ 1 nm, wat van cruciaal belang is om de goede samenhang en resolutie van ondiepe NV te behouden. Met behulp van de enkele ondiepe NV, het team was in staat om het lokale elektrische veld in kaart te brengen van een vooringenomen metalen punt met een ruimtelijke resolutie van ~10 nm en een gevoeligheid die dicht bij een elementaire lading ligt. In de toekomst, deze techniek kan worden toegepast voor het onderzoeken van de lokale heffing, polarisatie en diëlektrische respons van de functionele materialen vanuit een microscopisch beeld.

Door gebruik te maken van dit nieuwe systeem, het team realiseerde ook de omkeerbare controle van de laadtoestanden van één NV (NV ^ˉ , NV ⁺ en NV ⁰ ), waar NV ^ˉ wordt gebruikt als de kwantumsensor, terwijl NV ⁺ en NV ⁰ zijn fundamentele bouwstenen van kwantumopslag voor het verbeteren van de signaal-ruisverhouding van kwantumdetectie. De onderzoekers vonden dat, met behulp van de foton-ionisatie door de excitatielaser, het lokale elektrische veld van een scherpe vooringenomen punt kan worden toegepast om de lokale polarisatie/depolarisatie van het diamantoppervlak te bereiken en de laadtoestandschakelaar van NV te induceren met nauwkeurigheid op nanoschaal (tot 4,6 nm). Deze bevinding zal helpen om NV's directe elektrostatische omgeving te zuiveren, de NV-coherentie verbeteren en NV-gebaseerde kwantumnetwerken opbouwen.