课题组在超分辨量子传感研究中取得重要进展 2025-01-02

微纳量子传感课题组在超分辨量子传感研究中取得重要进展。课题组发展基于固态自旋的宽场超分辨成像与传感技术，提升对电磁信号测量分辨率和精度。该成果发表于《应用物理快报》上。

光学泵浦常用于金刚石NV色心等固态自旋的初始化和探测。传统方法通常实用光学共聚焦显微镜系统聚焦激发光，并收集NV色心的自旋依赖的荧光。然而其分辨率受到衍射极限的限制，降低了对微纳尺度信号探测的空间分辨力和精度。

为了解决对固态自旋传感探测分辨率受限的问题，国际上一些研究小组以含有NV色心的金刚石制作纳米尺寸针尖，扫描探针的位置，得到待测物理量的空间分布。其空间分辨率主要受限于探针的尺寸，可以突破光学衍射极限达到数十纳米。扫描探针制备复杂，且探针的扫描会扰动周围的电磁场，改变待测信息，并对使用的环境有所限制。微纳量子传感研究组长期开展基于光学远场超分辨成像的微纳量子传感技术,发展了电荷态耗尽、反常饱和成像等金刚石色心的超分辨技术，这些方法通过共聚焦系统对色心电荷态进行操控和探测，实现纳米分辨率的传感。

相对于扫描共聚焦成像，宽场成像可以对更大范围的NV色心荧光信号同时记录，提高传感的速度。NV色心宽场成像被广泛用于生物样品、纳米材料、光电器件的电磁场传感。但宽场成像的分辨率通常不如共聚焦扫描成像。结构光照明技术可用于宽场成像分辨率的提升，其核心是拓展可探测的高频空间信息。传统结构光照明基于一个正弦调制的结构光场，不完美的光场分布则可能影响成像结果的重构过程。在本工作中，研究组使用数字微镜调制光场分布，在物镜聚焦下产生周期性分布的结构光场，用于激发NV色心，实现结构光照明成像。由于金刚石的高折射率，制备的结构光场通常受到像差等因素影响而导致其分布与设计目标不一致，从而导致成像质量下降。针对这一问题，研究组将盲结构光照明(Blind-SIM)用于NV色心系综的成像。通过对NV色心荧光图像原始数据的分析提取结构光的分布特性，不需要预先知道结构光的参数，大大降低对实验条件的需求。研究组提高NV色心宽场成像分辨率月1.8倍，将其用于银纳米线网络导电和光学特性的表征，提高了测量精度。

该成果提升了固态自旋对微纳信号传感能力，宽场超分辨技术提高了现实环境下的可靠性和可操作性。通过后续研究，优化材料加工和系统的稳定性等，该技术将可用于芯片检测、生物成像等研究。

论文链接：https://doi.org/10.1063/5.0225954