近日，北京大學國際量子材料中心及輕元素先進材料研究中心蔣穎教授與斯圖加特大學J?rg Wrachtrup教授及香港中文大學楊森教授合作，利用固態量子位(qubit)、氮空位(NV)中心作為量子傳感器，研制了壹種掃描量子傳感顯微鏡。他們首次實現了基於NV的納米尺度電場成像及其電荷態控制，展示了掃描NV電學的可能性。這項名為“基於量子傳感器的納米電場成像及其在環境條件下的電荷態控制”的工作已經發表在《自然通訊》雜誌上。
氮空位(NV)中心是金剛石中存在的壹個點缺陷，被認為是在量子計算、量子信息和量子傳感方面最有前途的固態量子比特之壹。NV可以作為壹種強大的量子傳感器，通過監測其與周圍環境相互作用過程中量子態的相幹演化，定量地檢測微妙的磁/電信號。由於NV具有較長的相幹時間，即使在環境條件下也可達到~ms，因此其靈敏度極高，甚至可以用於檢測單核/電子自旋。將淺層NV與掃描探針顯微鏡(SPM)相結合，可以構建掃描磁測技術，實現納米尺度的定量磁成像。然而，由於NV與電場的耦合強度相對較弱，導致對淺層NV的相幹性和SPM系統的穩定性都有嚴格的要求，迄今為止尚未實現納米級電場映射。
江英教授及其團隊長期致力於先進SPM系統的開發。最近，他們開發了新壹代qplus原子力顯微鏡(AFM)，將SPM的分辨率和靈敏度提高到經典的極限，使氫原子在水分子中的直接成像成為可能。在此基礎上，該小組將基於nvl的量子傳感技術集成到基於qplu的SPM系統中，形成了所謂的掃描量子傳感顯微鏡。由於qPlus傳感器具有極高的穩定性，它可以在接近尖端表面~1 nm距離的情況下工作在非常小的振幅(~100 pm)下，這對於保持淺NV的良好相幹性和分辨率至關重要。該團隊能夠從壹個有偏置的金屬尖端繪制出局部電場，其空間分辨率為~10 nm，靈敏度接近基本電荷。未來，該技術可應用於從微觀角度研究功能材料的局部電荷、極化和介電響應。
利用這個新系統，該團隊還實現了單個NV電荷態(NVˉ、NV+和NV0)的可逆控制，其中NVˉ作為量子傳感器，而NV+和NV0是提高量子感知信噪比的量子存儲的基本構建模塊。研究人員發現,與援助的光子電離激發激光,當地電場急劇偏見的技巧可以應用於實現當地鉆石表面的極化/去極化和誘導NV的電荷狀態開關納米精度(降至4.6海裏)。這壹發現將有助於凈化NV的直接靜電環境，增強NV的相幹性，建立基於NV的量子網絡。