Un microscopio de detección cuántica de barrido con imágenes de campo nanoeléctrico
Figura: (a) Escaneo del diagrama esquemático eléctrico basado en nvl. (b) y (c): Experimentos y simulaciones de mapeo de campo eléctrico en una punta metálica afilada a través de un único NV poco profundo. (d) Control del estado de carga de un único NV mediante el campo eléctrico local en la punta. Fuente: Universidad de Pekín
Recientemente, el profesor Jiang Ying del Centro Internacional de Materiales Cuánticos y el Centro de Investigación de Materiales Avanzados de Elementos Ligeros de la Universidad de Pekín colaboró con el Profesor Jörg Wrachtrup de la Universidad de Stuttgart y el Profesor Yang Sen de la Universidad China de Hong Kong utilizará qubits de estado sólido (Usando qubit) y centros de vacantes de nitrógeno (NV) como sensores cuánticos, se desarrolló un microscopio de detección cuántica de barrido. Lograron por primera vez imágenes de campos eléctricos a nanoescala y control del estado de carga basado en NV, lo que demuestra la posibilidad de escanear electricidad NV. El trabajo, titulado "Imágenes de campo eléctrico a nanoescala basadas en sensores cuánticos y su control del estado de carga en condiciones ambientales", se publicó en la revista Nature Communications.
El centro de vacantes de nitrógeno (NV) es un defecto puntual que existe en el diamante y se considera uno de los qubits de estado sólido más prometedores en computación cuántica, información cuántica y detección cuántica. NV puede servir como un poderoso sensor cuántico para detectar cuantitativamente señales magnéticas/eléctricas sutiles al monitorear la evolución coherente de los estados cuánticos durante su interacción con el entorno circundante. Dado que NV tiene un tiempo de coherencia largo, alcanza ~ms incluso en condiciones ambientales, su sensibilidad es extremadamente alta e incluso puede usarse para detectar espines nucleares o electrónicos individuales. Combinando NV superficial con microscopía de sonda de barrido (SPM), se puede construir una tecnología de medición magnética de barrido para lograr imágenes magnéticas cuantitativas a nanoescala. Sin embargo, debido a la fuerza de acoplamiento relativamente débil entre NV y el campo eléctrico, lo que resulta en requisitos estrictos sobre la coherencia de NV superficial y la estabilidad del sistema SPM, hasta ahora no se ha logrado el mapeo del campo eléctrico a nanoescala.
El profesor Jiang Ying y su equipo llevan mucho tiempo comprometidos con el desarrollo de sistemas avanzados de GDS. Recientemente, desarrollaron una nueva generación de microscopio de fuerza atómica (AFM) qplus para aumentar la resolución y la sensibilidad de SPM al límite clásico, lo que permite obtener imágenes directamente de los átomos de hidrógeno en las moléculas de agua. Sobre esta base, el grupo integró la tecnología de detección cuántica basada en NVL en el sistema SPM basado en QPLU, formando el llamado microscopio de detección cuántica de barrido. Debido a la estabilidad extremadamente alta del sensor qPlus, puede operar a amplitudes muy pequeñas (~100 pm) a una distancia de ~1 nm cerca de la superficie de la punta, lo cual es esencial para mantener una buena coherencia y resolución de NV poco profundas. El equipo pudo mapear campos eléctricos localizados desde una punta metálica polarizada con una resolución espacial de ~10 nm y una sensibilidad cercana a la carga fundamental. En el futuro, esta tecnología podrá aplicarse para estudiar la carga local, la polarización y la respuesta dieléctrica de materiales funcionales desde una perspectiva microscópica.
Utilizando este nuevo sistema, el equipo también logró un control reversible de los estados de carga NV individuales (NVˉ, NV+ y NV0), donde NVˉ sirve como sensor cuántico, mientras que NV+ y NV0 mejoran la relación señal-ruido. relación de detección cuántica. Los componentes básicos del almacenamiento cuántico. Los investigadores descubrieron que, con la ayuda de láseres de excitación por ionización de fotones, se puede aplicar el truco de polarizar bruscamente el campo eléctrico local para lograr la polarización/despolarización local de la superficie del diamante e inducir el cambio del estado de carga NV con precisión nanométrica (hasta 4,6 nm). ). Este descubrimiento ayudará a purificar el entorno electrostático directo de NV, mejorará la coherencia de NV y establecerá redes cuánticas basadas en NV.