杜江峰、王亚等人在量子精密测量领域取得了重要进展，提出了基于信号关联的新量子传感范式，实现了金刚石内点缺陷的高精度成像，实时观察了点缺陷的电荷动力学。这项研究成果以“研究成果”为基础Correlated sensing with a solid-state quantum multisensor system for atomic-scale structural analysis以1月5日在线发布为题《Nature Photonics》上。
在过去的20年里，量子传感的发展使许多物理测量技术取得了革命性的进展。比如基于纳米尺度的金刚石氮-空位色心量子传感器有望实现单分子结构分析(杜江峰院士团队前期工作:Nature Physics10， 21 (2014);Science 347, 1135 (2015);Nature Methods 15, 697 (2018)）。以磁测量为例，实现结构分析的量子传感范式需要量子控制标记的自旋探测目标。然而，自然界中的许多物理现象既不包括自旋，也不能直接控制，如半导体中电荷动力学引起的随机电报信号。更重要的是，当多个探测对象的信号重叠并相互干扰时，单个量子传感器将无法有效地提取和分析信号。
为此，本工作提出了一种新的量子传感范式，即利用多个量子传感器之间的信号关联，提高复杂对象的分析能力和重构精度。基于氮空位色心制备技术的独立发展，研究团队可以控制和准备三个氮空位色心作为量子传感系统，通过随机电场探测显示这种新的量子传感范式。
图：（a）实验系统的示意图，小图是本工作中使用的三色心系统的超分辨成像；（b）共振荧光激发谱的谱峰位置涨落对应于各色心处的电场涨落；（c）利用三色心电场涨落信号之间的关联，可以区分不同的缺陷；（d）量子定位系统示意图；（e）定位在三色心周围的16点缺陷。
金刚石是一种性能优异的宽禁带半导体材料，材料中点缺陷的电荷动力学会带来随机的电场噪声。在这项工作中，利用金刚石氮-空位色心激发态的直流斯塔克效应来实现对电场的传感。当某一点缺陷的电荷状态发生变化时，三个氮空位色心可以同时检测到电荷变化引起的电场变化。利用三色心间电场同时变化的相关特性，可以从杂乱无章的涨落电场中分析出各点缺陷对应的电场。而且由于每个点的缺陷与三个氮-空位色心的相对空间位置不同，出点缺陷的空间位置可以根据每个氮-空位色心感受到的电场方向和大小准确定位。利用这种类似于卫星定位的量子定位技术，研究团队成功定位了微米范围内的16个缺陷，最大定位精度为1.7纳米。基于这种相关的识别和准确定位能力，研究小组还实现了对各点缺陷电荷动力学的原位实时检测，为研究体材料内部缺陷的性质提供了新的方法。
该结果显示了基于量子技术的超高灵敏度缺陷检测，可以检测0.01ppb级缺陷浓度（100亿正常原子中的一个缺陷）。这比目前最敏感的检测极限提高了两个以上的量级，预计将为当前10纳米以下芯片中的缺陷检测提供强有力的技术手段。
中国科学院微磁共振重点实验室特别研究员季文涛、博士生刘赵欣、郭宇航、杜江峰院士、王亚教授为联合通信作者。该研究得到了国家自然科学基金会、中国科学院、科技部和安徽省的资助。
论文链接：https://www.nature.com/articles/s41566-023-01352-4
(微磁共振重点实验室、物理学院、量子信息与量子科技创新研究所、科研部)