中国科大提出并实现纳米尺度电探测新方法

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、石发展、王亚等人在金刚石单自旋量子精密测量研究方向取得重要进展，提出并通过实验实现了一种以金刚石氮-空位（NV）色心单自旋为量子传感器（以下简称“金刚石量子传感器”）的电探测方法，并首次通过磁抑制的NV色心实现了金刚石近表面电噪声信息的提取，为金刚石量子传感器在电探测方向的应用提供新的途径。该研究成果以“编辑推荐”形式发表在近期的《物理评论快报》上 [Nanoscale Electrometry Based on a Magnetic-Field-Resistant Spin Sensor, Phys. Rev. Lett. 124, 247701 (2020)]。

对电、磁等基本物理量高分辨率高灵敏度的探测在物理、材料、生命科学等领域均有重要应用。金刚石中的NV色心以其室温大气环境下优越的相干性质而成为高灵敏的磁量子传感器，在磁性探测与成像方面兼具高灵敏度高分辨率的综合优势，已用于单分子磁共振和纳米尺度磁成像等领域[杜江峰团队在该方向的代表性论文：Nature Physics 10, 21 (2014); Science 347, 1135 (2015); Nature Methods 15, 697 (2018); Science Advances 5, eaau8038 (2019); Science Advances 6, eaaz8244 (2020)]。同时，NV色心作为电信号量子传感器早在2011年被提出[Nat. Phys. 7, 459  (2011)]，且被证明在室温大气环境下具备单个电荷的探测灵敏度，目前已实现对金刚石体内的电荷与电场探测。但NV色心作为量子传感器，最终实用化的目标是将其应用于金刚石体外信号表征。为了将NV色心用于金刚石体外样品的电信号高灵敏度与高分辨率的表征，需要将其制备于10纳米到几十纳米深度位置的金刚石浅表层处。但是金刚石近表面磁噪声环境复杂，NV色心易受到磁信号干扰，限制了其对电场探测的实际应用。

(a) 实验示意图，金刚石表面覆盖电极施加电场，旁边放上通电流的螺线管施加磁场。

(b) NV色心新本征态的能级随电极电压（即电场，红线及圆环所示）与螺线管内电流（即磁场，蓝线及方块所示）的关系，可见其仅对电场变化有响应。

为了解决这一局限性，此工作提出了一种能抑制磁信号和噪声同时对电场敏感的方法。NV色心作为一种自旋体系，其对磁场具有天然的敏感性，相对而言对电场的敏感度较低，因此消除磁场干扰是电探测的前提。本工作中设计了一种连续动力学解耦序列，形成特定的缀饰态空间，有效地抑制了NV色心对磁场的响应，同时保留对电场的线性响应（如图1所示），从而构建了一个更加有效的电信号量子传感器。更进一步，研究人员利用这种新的电探测方法，研究了金刚石近表面的电噪声分布。过去认为金刚石近表面NV色心感受到的噪声主要来源于金刚石上表面分布的未配对电子或自旋引起的电磁噪声。而本工作中，研究人员发现除了金刚石上表面的电噪声，距离金刚石表面约10纳米深的内部（NV色心周围）的电噪声也不可忽略。通过建立模型与定量的实验研究这两处电噪声，发现它们之间存在显著的相关性。这种定量的探测和分析是以往研究方式无法实现的，而新方法对磁噪声呈现出高度抑制的作用，因此可以被用于金刚石近表面纯电噪声信息的提取。这有助于更准确地分析表面噪声的性质和来源，从而进行针对性的消除。

该实验验证了新的基于金刚石量子传感器的电探测方法，这种方法相对于以往基于NV色心的电探测方式大幅增强了对磁噪声的抑制，从而延长了其相干时间并提高了电探测的灵敏度。该方法非常适用于电磁场共存样品的表征，例如多铁材料。结合NV色心高分辨成像的特性，有望在材料的电磁性质表征领域取得重要应用。除此之外，该方法同样具有室温大气环境下单个电子电荷的探测灵敏度，其可应用于凝聚态以及半导体等材料的电信号表征。

审稿人评价此工作：“该新颖的方法是一种更容易且更通用的电测量实验方法，可为相关领域的研究人员提供技术参考。与以往此方面的研究相比，电荷噪声和屏蔽的实验结论更为坚实可靠，并且可能是真正揭示表面电荷噪声起源的第一步。”[“The novel protocol could be an easier and more versatile experimental access to electrometry, and could thus become a reference technique for many groups working in the field. The experimental results on charge noise and screening put this effect on a much more solid foundation than previous studies, and could be the first step to truly unravel the origin of surface charge noise.”]。此工作被PRL编辑选作亮点文章发表。

中科院微观磁共振重点实验室博士生李瑞和博士后孔飞为该文共同第一作者。该研究得到了科技部、国家自然科学基金委、中国科学院和安徽省的资助。

论文链接：

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.124.247701

PRL Editors’ Suggestion:

https://journals.aps.org/prl/highlights

（中科院微观磁共振重点实验室、物理学院、合肥微尺度物质科学国家研究中心、中科院量子信息与量子科技创新研究院、科研部）

为金刚石量子传感器在电探测方向的应用提供新的途径