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記者1月8日從中國科大獲悉，中國科學技術大學中國科學院微觀磁共振重點實驗室杜江峰院士、王亞教授等人在量子精密測量領域取得重要進展，提出基于信號關聯的新量子傳感范式，實現對金剛石內點缺陷的高精度成像，并實時觀測了點缺陷的電荷動力學。1月5日，研究成果在線發表于《自然-光子學》。
近二十多年時間里，量子傳感的發展已經使得很多物理量的測量技術取得了革命性的進展。比如，基于納米尺度的金剛石氮-空位色心量子傳感器有望實現單分子的結構解析。以磁測量為例，當前實現結構解析的量子傳感范式需要對標記的自旋探測目標進行量子操控。然而，自然界中的很多物理現象既不包含自旋也無法直接操控，如半導體中的電荷動力學導致的隨機電報信號等。更重要的是，當多個探測對象信號重疊相互干擾，單個量子傳感器將無法對信號進行有效提取與分析。
此次工作中，研究團隊提出了一種新的量子傳感范式，即利用多個量子傳感器之間的信號關聯，提升對復雜對象的解析能力和重構精度。研究團隊基于自主發展的氮-空位色心制備技術，可控制備出相距約200納米的三個氮-空位色心作為量子傳感系統，通過對隨機電場探測展示了這種新的量子傳感范式。
金剛石是一種性能優異的寬禁帶半導體材料，材料中點缺陷的電荷動力學會帶來隨機的電場噪聲。此次工作中，利用金剛石氮-空位色心激發態的直流斯塔克效應來實現對電場的傳感。當某個點缺陷的電荷狀態發生改變時，三個氮-空位色心可以同時探測到因電荷變化而引起的電場變化。再利用三個色心間電場同時變化的關聯特征，可以從雜亂無章的漲落電場中解析出每個點缺陷對應的電場。并且由于每個點缺陷和三個氮-空位色心的相對空間位置不同，就可以根據每個氮-空位色心所感受到的電場方向和大小的不同，來精確定位出點缺陷的空間位置。
最終，研究團隊使用這種類似于衛星定位的量子定位技術，成功對微米范圍內16個點缺陷進行了定位，定位精度最高達到1.7納米。基于這種關聯分辨和精確定位的能力，他們還實現了對每個點缺陷電荷動力學的原位實時探測，為研究體材料內部點缺陷的性質提供了新的方法。
研究人員介紹，這一成果展示了基于量子技術的超高靈敏度缺陷探測，甚至在一千億個正常原子中出現一個缺陷，這種情況也能探測到。這要比目前最靈敏方法的探測極限提升兩個數量級以上，有望為當前十納米以下芯片中的缺陷檢測提供一種強有力的技術手段。（記者 汪喬）