科学的进步离不开测量技术的发展，而微纳尺度下对物理量的测量和成像更是在凝聚态物理、纳米科学、生命科学等前沿基础研究和应用科学中有重要意义。在这些应用场景中，人们所面临的测量信号通常具有空间尺度极小、信号强度极弱、容易受到外界扰动等特点。
金刚石中的氮-空位（NV）色心等固态自旋在近年来被广泛用于量子传感和测量的研究。它是由金刚石中一个氮杂质和相邻的空位组成，具有尺寸小、室温下相干时间长、光学性质稳定等优点。通过对氮-空位色心的荧光进行探测，我们可以得到其自旋态的信息。利用这些性质，国际上研究人员探索基于氮-空位色心的电磁场、温度、应力等物理量的微纳尺度传感与成像。
我们研究固态自旋的操控与探测方法，聚焦提高固态自旋量子传感的空间分辨率与灵敏度，目标是将固态自旋量子传感用于发现小尺度下新物理现象、探索新物理机制、发展新的测量技术等科学研究和生产活动中。当前的主要研究内容包括：1，结合光场调控与量子比特操控，发展基于氮-空位色心等固态自旋的超光学衍射极限分辨率成像与传感新技术；2，研究氮-空位色心的自旋操控与探测方法，通过相干保护、荧光增强等手段提升微纳量子传感器的灵敏度，发展极弱电磁信号测量的新方法；3，利用极高空间分辨率的量子传感，研究亚波长空间内的光与物质相互作用，探索微观尺度下材料相变等物理现象与机制。
Highlight亮点工作：
1，对固态自旋量子比特的成像与操控分辨率达到4.1纳米
光学远场成像技术被用于固态自旋等量子比特的操控与探测。然而传统的光学成像方法分辨率受到衍射极限的限制，通常只能达到300纳米左右。我们研究光泵浦下氮-空位色心的电荷态转换，并利用紧聚焦下的光场调制，使用拉盖尔-高斯光束对电荷态进行操控，实现突破光学衍射极限的电荷态耗尽（CSD）成像技术。使用50毫瓦的泵浦激光实现对氮-空位色心4.1纳米分辨率的成像。分辨率达到衍射极限的1/86，与诺贝尔奖获得者S.Hell所发明的受激辐射耗尽成像术接近，而泵浦功率则仅为后者的1/100。我们利用红外光辅助电荷态转换，进一步将泵浦光功率降低约30倍。这种高空间分辨率、低泵浦功率的成像方法被后续用于生物成像、量子传感等研究。
论文链接：
https://www.nature.com/articles/lsa20153
新闻报道：
https://news.sciencenet.cn/htmlpaper/20151131193236535380.shtm
2，实现突破衍射极限分辨的电磁场量子传感
我们将电荷态耗尽成像与氮-空位色心的自旋态探测与操控结合，发展高分辨率电磁场传感，对纳米光电器件性能进行表征。使用637纳米的空心光束为电荷态耗尽光，我们设定激光功率和泵浦时间使其对氮-空位色心探测的分辨率达到50纳米。我们对一维纳米线的局域光场态密度、磁场等多种信息进行了测量，实现高空间分辨率的多模传感与成像。一方面高空间分辨率的传感使探测信号的分布变得更清晰；同时，一些较弱的信号也得以通过高分辨率传感被探测到。结果表明超衍射极限分辨的量子传感提升了对纳米尺度物理量测量的准确度，使我们得以在小尺度更准确的研究新物理现象。
论文链接
https://journals.aps.org/prapplied/abstract/10.1103/PhysRevApplied.12.044039
新闻报道
http://www.stdaily.com/index/kejixinwen/2019-10/22/content_805024.shtml
3，高空间分辨率量子传感揭示深亚波长尺度下的电磁场局域现象
为了追求与物质的强相互作用，纳米科学需要实现极小尺度的电磁场局域和检测，推动纳米加工、信息存储、生物传感、微波光子学和量子信息等技术的发展。我们将超分辨量子传感技术用于对纳米尺度微波场矢量的探测。实验上，通过探测纳米线周围局域微波场(波长：10.4厘米)泵浦下不同轴向氮-空位色心电子的自旋跃迁，观察到微波信号可以被局域在纳米线附近约291纳米区域内，相当于其波长的10-6。进一步测量其矢量信息，发现该深亚波长的局域来自于一维纳米导电材料中电子运动的近场辐射。基于该实验结果，我们设计了金属纳米线-蝴蝶结天线结构，用于对自由空间微波场收集、局域并增强与电子自旋的相互作用。观察到此结构可将局域微波能量增强8个量级，提高与自旋相互作用强度4个量级。该成果将高空间分辨率量子传感成功应用在纳米科学研究中，为探索纳米尺度下的电磁场与物质相互作用提供了一种有效工具。
论文链接：
https://www.nature.com/articles/s41467-021-26662-5
新闻报道：
http://www.stdaily.com/index/kejixinwen/2021-11/09/content_1230887.shtml
4，金刚石量子传感器实现量子增强的微波测距
基于微波信号测量的雷达定位技术在国防安全、自动驾驶、健康检测、地质勘探等活动中有广泛应用。我们结合微纳米分辨力的量子传感与电磁场的深亚波长局域，发展高灵敏度微波探测和高精度微波定位技术。我们设计了金刚石自旋量子传感器与金属纳米结构组成的复合微波天线，将自由空间弱信号的探测转换为对纳米尺度下电磁场与固态自旋相互作用的探测，提高了固态量子传感器的微波信号测量灵敏度3-4个量级。通过固态自旋探测物体反射微波信号，我们得到物体的位置信息。同时利用固态自旋量子探针与微波光子相干相互作用，实现了量子增强的位置测量精度，达到10微米水平（约波长的万分之一）。
论文链接：
https://www.nature.com/articles/s41467-023-36929-8
新闻报道：
https://news.sciencenet.cn/sbhtmlnews/2023/3/373716.shtm
https://phys.org/news/2023-04-team-quantum-enhanced-microwave-ranging.html
5，量子成像对微纳尺度材料相变的研究
VO2是一种在室温（68度左右）发生的绝缘体-金属相变的材料，基于其制备的忆阻器被认为可以用于进行模拟神经网络行为等研究。基于氮-空位色心阵列对微纳米尺度磁场的探测，我们对VO2材料的绝缘体-金属相变进行测量，观察到光热效应导致的微米尺度局域导电细丝的产生，并研究了相变对温度、电流、光强的依赖特性。通过对光泵浦强度、位置等参数的设置，我们实现对导电细丝的状态调控。进一步结合氮-空位色心量子传感器对器件电导属性的直接成像，我们对VO2模拟人工神经突触器件的性能进行了测量，演示了对信号的记忆效应，有助于人工神经网络的研究。
论文链接：