近日，beat365官方网站量子材料科學中心、beat365輕元素先進材料研究中心江穎教授課題組和德國斯圖加特大學Jörg Wrachtrup教授、香港中文大學楊森教授等合作，自主研制了一台掃描量子傳感顯微鏡系統，在國際上首次利用氮—空位色心（NV center）量子探針實現了10納米級電場成像和電荷态調控，靈敏度接近單個元電荷，将可能催生基于NV探針的掃描電場強度計。該研究成果以“室溫大氣環境下基于量子探針的納米尺度電場成像及其電荷态調控”（Nanoscale electric-field imaging based on a quantum sensor and its charge-state control under ambient condition）為題，發表于《自然·通訊》 （Nature Communications 12, 2457 (2021) ）。

氮—空位色心（NV center）是金剛石材料中的點缺陷，在固态量子比特中具有代表性，近年來被廣泛應用于量子計算、量子信息和量子傳感等領域。通過監測NV的量子态與周圍環境相互作用下的相幹演化，NV本身可以作為高靈敏度探針來定量探測其周圍環境中各種極其微弱的電磁信号。由于NV在室溫大氣環境下的相幹時間可達到毫秒量級，其探測靈敏度極高，理論上可探測單個質子核自旋産生的磁場。将淺層NV與掃描探針顯微鏡（SPM）結合，可以構建掃描磁場強度計，從而實現納米尺度的磁場定量成像。然而，由于電場與NV的耦合強度較弱，對NV的相幹性和SPM的性能要求非常苛刻，一直以來，基于NV的掃描電場強度計未能實現。

江穎教授課題組長期緻力于自主研發先進掃描探針顯微術（SPM），近年來發展了一套新型qPlus探針技術，将SPM的分辨率和靈敏度推向了極限，國際上首次實現了氫原子的直接成像和定位。在此基礎上，江穎教授課題組創新性地将qPlus型探針技術和NV技術相結合，自主研發了一台掃描量子傳感顯微鏡系統，并利用NV對金屬針尖的局域電場進行了掃描成像。由于qPlus探針具有極高的穩定性，可在~1 nm的工作距離下，維持~100 pm的小振幅，從而保證了淺層NV優異的相幹性和空間分辨率，最終在室溫大氣下得到了~10 nm空間分辨率的電場梯度圖像，靈敏度接近單個元電荷。未來該技術可能被應用于研究功能材料的局域電荷、電極化和介電響應等微觀性質。

進一步，該工作還利用掃描探針實現了單個NV電荷态（NV⁺，NV⁰和NV^－）的可逆調控。其中NV^－為常用的量子探針，而NV⁺和NV⁰可用于構建提升量子傳感探測靈敏度的量子存儲單元。研究人員發現，利用金屬針尖的局域強電場，并借助激光對NV周圍雜質電荷的電離，可以在金剛石表面形成局域極化或退極化，進而誘導NV的電荷态轉換。該電荷調控技術的空間分辨可以達到4.6 nm，将有助于優化淺層NV的局域電荷環境和提升NV的相幹性，以及精确構建基于NV量子比特的量子網絡。

a 基于NV的掃描電場強度計示意圖；b和c 利用淺層NV對針尖電場進行掃描成像得到的實驗圖及其模拟圖；d 利用針尖局域電場對單個NV的電荷态進行調控

beat365官方网站量子材料科學中心江穎教授與德國斯圖加特大學Jörg Wrachtrup教授是文章的共同通訊作者；2014級博士研究生邊珂（現為beat365官方网站博士後）和2016級博士研究生鄭聞天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、教育部、北京市科學技術委員會、量子物質科學協同創新中心和beat365輕元素先進材料研究中心的經費支持。

全文鍊接：https://www.nature.com/articles/s41467-021-22709-9