中国科大实现量子精密测量技术对微波场纳米级分辨率的重构

近日，中国科学技术大学教授杜江峰研究团队在量子精密测量领域取得突破，利用金刚石中的固态电子自旋，在世界上首次实现了室温大气下纳米级分辨率的微波场磁场分量矢量重构测量。该研究成果发表在3月23日出版的《自然·通讯》上。

微波是指波长在大约在1米至1毫米、对应频率在约300MHz到300GHz范围之间的电磁波，自19世纪末德国物理学家海因里希·赫兹首次产生微波信号以来，微波就被迅速应用到军事国防、雷达通讯中，并且很快扩展到信息技术、导航、半导体器件等领域，体现了一个国家的科技水平和竞争实力。微小型化、高度集成化的趋势，对微波测量技术在更高的空间分辨率、灵敏度和矢量场的重构等方面提出了更迫切的需求。例如，高度集成化的芯片基本单元——晶体管早已进入到数十纳米的尺寸，其特征微波场尺寸在纳米量级，矢量分析有助于了解微波的传输和反射特性，帮助分析和提升器件性能。然而，在纳米尺度上对这些微波器件进行原位检测是极具挑战性的。目前的冷原子、热原子蒸气等测量方法均只达到了微米和毫米量级空间分辨率，且受限于低温或真空，应用有限。

杜江峰研究团队巧妙地利用钻石中的氮-空位点缺陷中的电子自旋（简称"钻石探针"）作为量子传感器，实现了对近场微波磁场矢量的重构测量。钻石探针是一种含氮的晶体缺陷，普遍存在于金刚石单晶中，缺陷中有两个未成对的电子，组成一个自旋为1的量子体系。在微波磁场的驱动下，电子自旋可以在两个量子状态之间振荡，称为拉比振荡。拉比振荡频率与微波磁场的强度和矢量方向有关。研究团队通过测量电子自旋的拉比振荡频率，并结合金刚石的单晶特性，巧妙地完成了对2.6000GHz线性极化微波磁场的测量和矢量重构，空间分辨率达到了光学衍射极限（约230纳米），通过最大似然估计方法处理实验数据得到了5.6毫弧度的矢量角度精度和百万分之一特斯拉的矢量幅度精度。该空间分辨率已经超越了冷原子和热原子蒸气方法，微波磁场探测手段进入到纳米级尺度。

该实验为室温大气下高精度的微波近场测量方法提供了一个新的实验手段。随着相关技术的进步，测量结果的精度和空间分辨率仍然有进一步提高的空间，再结合扫描探针显微技术、强磁场技术，该方法将可以对频率范围从微波直到太赫兹波段、分辨率低至原子尺度的微波磁场进行成像，为解决太赫兹波段缺乏成像手段的现状提供新的思路。审稿人也指出："这一技术可以使用于太赫兹近场成像，将会是一个重要的应用点"，"毫无疑问是一个非常有价值的方法"。

该系列研究得到了基金委、科技部、中科院、教育部等单位的支持。

图示：实验原理示意图。激光用于测量钻石探针的量子状态，读出拉比振荡的频率。高频振荡的电流在一根22微米直径（人的头发丝直径约为80微米）的铜丝中传输，产生了高频振荡的微波磁场（红线代表磁感线），磁场穿过金刚石与大气的边界，辐射至钻石探针上（黑色箭头）。