近日，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授杜江峰研究團(tuán)隊(duì)在量子精密測(cè)量領(lǐng)域取得突破，利用金剛石中的固態(tài)電子自旋，在世界上首次實(shí)現(xiàn)了室溫大氣下納米級(jí)分辨率的微波場(chǎng)磁場(chǎng)分量矢量重構(gòu)測(cè)量。該研究成果發(fā)表在3月23日出版的《自然·通訊》上。

微波是指波長(zhǎng)在大約在1米至1毫米、對(duì)應(yīng)頻率在約300MHz到300GHz范圍之間的電磁波，自19世紀(jì)末德國(guó)物理學(xué)家海因里希·赫茲首次產(chǎn)生微波信號(hào)以來(lái)，微波就被迅速應(yīng)用到軍事國(guó)防、雷達(dá)通訊中，并且很快擴(kuò)展到信息技術(shù)、導(dǎo)航、半導(dǎo)體器件等領(lǐng)域，體現(xiàn)了一個(gè)國(guó)家的科技水平和競(jìng)爭(zhēng)實(shí)力。微小型化、高度集成化的趨勢(shì)，對(duì)微波測(cè)量技術(shù)在更高的空間分辨率、靈敏度和矢量場(chǎng)的重構(gòu)等方面提出了更迫切的需求。例如，高度集成化的芯片基本單元——晶體管早已進(jìn)入到數(shù)十納米的尺寸，其特征微波場(chǎng)尺寸在納米量級(jí)，矢量分析有助于了解微波的傳輸和反射特性，幫助分析和提升器件性能。然而，在納米尺度上對(duì)這些微波器件進(jìn)行原位檢測(cè)是極具挑戰(zhàn)性的。目前的冷原子、熱原子蒸氣等測(cè)量方法均只達(dá)到了微米和毫米量級(jí)空間分辨率，且受限于低溫或真空，應(yīng)用有限。

杜江峰研究團(tuán)隊(duì)巧妙地利用鉆石中的氮-空位點(diǎn)缺陷中的電子自旋（簡(jiǎn)稱“鉆石探針”）作為量子傳感器，實(shí)現(xiàn)了對(duì)近場(chǎng)微波磁場(chǎng)矢量的重構(gòu)測(cè)量。鉆石探針是一種含氮的晶體缺陷，普遍存在于金剛石單晶中，缺陷中有兩個(gè)未成對(duì)的電子，組成一個(gè)自旋為1的量子體系。在微波磁場(chǎng)的驅(qū)動(dòng)下，電子自旋可以在兩個(gè)量子狀態(tài)之間振蕩，稱為拉比振蕩。拉比振蕩頻率與微波磁場(chǎng)的強(qiáng)度和矢量方向有關(guān)。研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)測(cè)量電子自旋的拉比振蕩頻率，并結(jié)合金剛石的單晶特性，巧妙地完成了對(duì)2.6000GHz線性極化微波磁場(chǎng)的測(cè)量和矢量重構(gòu)，空間分辨率達(dá)到了光學(xué)衍射極限（約230納米），通過(guò)最大似然估計(jì)方法處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得到了5.6毫弧度的矢量角度精度和百萬(wàn)分之一特斯拉的矢量幅度精度。該空間分辨率已經(jīng)超越了冷原子和熱原子蒸氣方法，微波磁場(chǎng)探測(cè)手段進(jìn)入到納米級(jí)尺度。

該實(shí)驗(yàn)為室溫大氣下高精度的微波近場(chǎng)測(cè)量方法提供了一個(gè)新的實(shí)驗(yàn)手段。隨著相關(guān)技術(shù)的進(jìn)步，測(cè)量結(jié)果的精度和空間分辨率仍然有進(jìn)一步提高的空間，再結(jié)合掃描探針顯微技術(shù)、強(qiáng)磁場(chǎng)技術(shù)，該方法將可以對(duì)頻率范圍從微波直到太赫茲波段、分辨率低至原子尺度的微波磁場(chǎng)進(jìn)行成像，為解決太赫茲波段缺乏成像手段的現(xiàn)狀提供新的思路。審稿人也指出：“這一技術(shù)可以使用于太赫茲近場(chǎng)成像，將會(huì)是一個(gè)重要的應(yīng)用點(diǎn)”，“毫無(wú)疑問(wèn)是一個(gè)非常有價(jià)值的方法”。

該系列研究得到了基金委、科技部、中科院、教育部等單位的支持。

圖示：實(shí)驗(yàn)原理示意圖。激光用于測(cè)量鉆石探針的量子狀態(tài)，讀出拉比振蕩的頻率。高頻振蕩的電流在一根22微米直徑（人的頭發(fā)絲直徑約為80微米）的銅絲中傳輸，產(chǎn)生了高頻振蕩的微波磁場(chǎng)（紅線代表磁感線），磁場(chǎng)穿過(guò)金剛石與大氣的邊界，輻射至鉆石探針上（黑色箭頭）。