近日，beat365官方网站量子材料科學中心、北京懷柔綜合性國家科學中心輕元素量子材料交叉平台江穎教授團隊和德國斯圖加特大學物理第三研究所和應用量子科技中心Jörg Wrachtrup教授、香港科技大學物理系楊森教授等合作，創新性的将金剛石色心量子傳感技術與qPlus掃描探針技術有機融合，自主研發了一台掃描量子傳感顯微鏡。該系統兼備原子級的形貌表征能力以及納米級的電場和磁場定量成像能力，并将探測靈敏度推進至單個質子水平。該成果以“一種室溫大氣環境下兼容量子傳感技術的掃描探針顯微鏡”（A scanning probe microscope compatible with quantum sensing at ambient conditions）為題，于2024年5月31日發表在國際著名科學儀器雜志《科學儀器評論》（Review of Scientific Instruments）上。

掃描探針顯微鏡（scanning probe microscope, SPM）是納米科技領域最偉大的發明之一，可在原子尺度獲取表面的形貌和物性。盡管如此，傳統SPM依賴于隧穿電流和原子力等非相幹信号，難以實現微弱電場和磁場的定量探測。近年來，以金剛石中的氮-空位（nitrogen -vacancy, NV）色心為代表的量子傳感器可通過相幹調控實現單個核自旋級的超高探測靈敏度。将NV色心及其相幹調控技術與傳統SPM技術結合（NV-SPM），有望突破傳統SPM的局限。然而，現有NV-SPM所采用的懸臂梁或音叉的工作振幅大，針尖離樣品的距離遠大于1 nm，限制了空間分辨率和探測靈敏度。

江穎課題組長期緻力于自主研發新型SPM技術，近年來基于qPlus傳感器成功發展出一套非侵擾的高階靜電力成像手段，國際上首次實現了水分子中氫原子的直接成像。進一步，江穎等成功研發了一台qPlus型光耦合SPM系統（Chenget al., Rev. Sci. Instrum. 93, 043701 (2022)），并将該成果轉讓給中科艾科米（北京）科技有限公司，與企業聯合攻關共同推出商業化系統。該系統的品質因子和振幅噪音等核心參數優于國外同類設備，上市後得到了很好的應用（Honget al., Nature 630, 375 (2024)）。

基于高端儀器自主研發的豐富經驗，江穎課題組與合作者将qPlus-SPM技術和量子傳感技術高效融合，成功搭建了一套室溫大氣環境下的高分辨掃描量子傳感顯微鏡系統（圖1）。該系統集成了新型qPlus原子力傳感器（專利1，圖2a）和NV量子傳感技術所需的各項探測/調控終端（專利2，3），在保證掃描頭緊湊性和高抗振性的結構基礎上，同時實現了針對色心探針量子态的高效操縱和讀出。該系統針尖與樣品的工作距離可小于1 nm，針尖的最小振幅可維持在pm量級，大大提升了空間分辨率和探測靈敏度。

圖1 (a):掃描量子傳感顯微系統原理圖：融合了qPlus原子力傳感器、NV色心以及表征和調控NV量子态所需的激光、磁場和微波序列。(b):高分辨掃描量子傳感顯微鏡核心部件----掃描探頭的3D模型。(c):高分辨掃描量子傳感顯微鏡核心部件----掃描探頭的實物照片。

經測試，自研的新型qPlus傳感器在室溫大氣環境下展現了優異的機械性能（品質因數~4400）（圖2a和2b）。一方面，該系統具備原子級的形貌空間分辨（圖2c）；另一方面，基于qPlus針尖的強局域電場，該系統可實現淺層NV色心電荷态的高分辨調控，以及金剛石近鄰表面順磁噪聲的高效抑制，從而大幅提升了淺層NV的相幹性，将質子自旋的探測靈敏度提升了近兩個量級，逼近單個質子水平（圖2d）。此外，借助單個NV色心，該系統還在納米尺度實現了磁場和電場的高分辨定量成像（圖2e和2f）。

該掃描量子傳感顯微鏡系統突破了長期以來掃描探針技術在微弱電/磁場探測方面的靈敏度限制，為實現原子/納米尺度的電磁成像、譜學和操控鋪平了道路，在物理、化學、材料、生物等學科領域有廣泛應用前景。

圖2 (a):自主研發的新型qPlus原子力傳感器。(b):新型qPlus傳感器的品質因子測試。(c): STM模式下的HOPG表面成像結果。(d):基于qPlus針尖操縱後NV的探測靈敏度逼近單個質子。(e):利用淺層NV對磁性針尖的掃描磁場成像。(f):利用淺層NV對導電針尖的掃描電場成像。

江穎教授和邊珂特聘副研究員是文章的共同通訊作者；邊珂特聘副研究員、鄭聞天博士後（現為萊斯大學Smalley-Curl博士後研究員）和2019級博士研究生陳夏琨是文章的共同第一作者。這項工作得到了國家自然科學基金委、科學技術部、北京市科學技術委員會、新基石科學基金會和中國博士後基金會等經費的支持。

論文鍊接：https://doi.org/10.1063/5.0202756

相關專利：

[1]江穎、邊珂，一種qPlus傳感器, 2020-9-4,中國, ZL202021914791.6

[2]江穎、邊珂、鄭聞天，一種三維物鏡定位裝置及其安裝方法, 2020-9-4,中國,ZL202010922734.0

[3]江穎、邊珂、鄭聞天，一種電控矢量磁場裝置及其安裝方法, 2020-9-4,中國,ZL202010922767.5