中国科大突破量子传感微型化瓶颈：超构透镜助力金刚石NV色心探测
近日，中国科学技术大学孙方稳教授课题组与黄坤教授课题组协同攻关，提出基于超构透镜的微型化量子传感方案，通过特殊结构设计的超构透镜突破尺寸瓶颈，能够在狭窄环境实现NV色心的稳定激发与精准探测，为固态量子传感的微型化、集成化发展开辟了新路径。相关成果以《基于超构微透镜的小型化自旋缺陷量子传感器》（A Miniaturized Metalens-Based Spin Defect Quantum Sensor）为题，刊发于材料科学权威期刊《Advanced Functional Materials》，更获得国际纳米科技媒体Nanowerk专题报道。
研究背景
金刚石氮空位（NV）色心是一种重要的固态自旋体系，可实现对磁场、温度和应力等物理量的高灵敏探测，并具有纳米尺度空间分辨能力。然而，传统的NV色心成像设备需要体积较大的显微物镜才能完成激发与荧光收集，还需要精确调节激发光路与荧光收集光路的共聚焦，又需配备复杂的光学隔离装置，导致整个传感系统尺寸往往超过立方厘米量级。这种结构限制了其在狭小空间和特殊场景中的应用。
研究背景
针对这一问题，孙方稳教授课题组与黄坤教授课题组合作提出并实现了一种基于超构透镜的微型化量子传感方案。研究团队通过空间复用设计构建出兼具聚焦与色散调控功能的双功能平面超构透镜。该器件无需使用传统显微物镜，单器件即完成传统需要多个透镜组合实现的光学功能，为量子传感系统的小型化与集成化提供了新思路。
研究团队在硅基衬底上制备了精密排列的的氮化硅纳米棒。纳米棒的高度为600纳米，以提供足够的相位延迟；这些纳米棒的周期为250纳米，以抑制高阶衍射；这些纳米棒的宽度被精密调控，以实现对空间分布的相位延迟，从而制成超构透镜。
在这个高600纳米、直径1毫米的超构透镜中，有内圆和外环两个区域，内圆直径474微米，对应的数值孔径（NA）为0.7，外层圆环的数值孔径跨度为0.7至0.9。两个区域采用独立的纳米结构分别调控相位，不同光线在每个位置的偏折角度不同，从而避免激发光与荧光之间的色差。通过这种结构设计，单个平面超构透镜就能同时实现532nm激发光的高效聚焦与约700nm荧光的准直收集。
实验结果表明，该超构透镜系统能够实现对NV色心的稳定激发、荧光读出和自旋操控，并获得与传统光学系统相当的空间分辨能力。进一步地，研究团队在电磁铁窄间隙环境下完成了高磁场条件下的自旋共振测量，并实现了对微波局域场分布的高分辨成像，展示了该方案在受限空间量子探测中的应用潜力。
（a）NV 色心点在XY平面；（b）YZ平面的荧光成像
如图所示，与笨重的显微镜物镜不同，超构透镜可以轻松嵌入电磁铁狭窄的缝隙中（此处约3厘米）中，对NV色心进行自旋操作和读出。
随后调节电磁线圈电流来改变磁场强度，利用连续波光学探测磁共振（CW-ODMR）法，对NV色心的自旋共振频率进行探测。结果表明该超构透镜系统可以在极窄环境中实现高精度磁场测量。
该研究为超构表面光学与固态量子传感的结合提供了新的实现路径，也为金刚石及其他自旋缺陷材料体系的微型化量子器件发展奠定了基础。该技术在未来应用中还可进一步提升。例如，通过缩短纳米棒结构的周期可以降低相位调制的不连续性，提高衍射效率；通过减小超构透镜直径、采用多样的纳米结构几何形状或采用多层透镜结构能够进一步降低色差。
该工作近期还获得了国际知名纳米科技网站Nanowerk的报道。
论文原文：
https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202530596?utm_medium=article&utm_source=researchgate.net
超构透镜结构设计
针对这一问题，孙方稳教授课题组与黄坤教授课题组合作提出并实现了一种基于超构透镜的微型化量子传感方案。研究团队通过空间复用设计构建出兼具聚焦与色散调控功能的双功能平面超构透镜。该器件无需使用传统显微物镜，单器件即完成传统需要多个透镜组合实现的光学功能，为量子传感系统的小型化与集成化提供了新思路。
研究团队在硅基衬底上制备了精密排列的的氮化硅纳米棒。纳米棒的高度为600纳米，以提供足够的相位延迟；这些纳米棒的周期为250纳米，以抑制高阶衍射；这些纳米棒的宽度被精密调控，以实现对空间分布的相位延迟，从而制成超构透镜。
在这个高600纳米、直径1毫米的超构透镜中，有内圆和外环两个区域，内圆直径474微米，对应的数值孔径（NA）为0.7，外层圆环的数值孔径跨度为0.7至0.9。两个区域采用独立的纳米结构分别调控相位，不同光线在每个位置的偏折角度不同，从而避免激发光与荧光之间的色差。通过这种结构设计，单个平面超构透镜就能同时实现532nm激发光的高效聚焦与约700nm荧光的准直收集。
实验结果表明，该超构透镜系统能够实现对NV色心的稳定激发、荧光读出和自旋操控，并获得与传统光学系统相当的空间分辨能力。进一步地，研究团队在电磁铁窄间隙环境下完成了高磁场条件下的自旋共振测量，并实现了对微波局域场分布的高分辨成像，展示了该方案在受限空间量子探测中的应用潜力。
（a）NV 色心点在XY平面；
（b）YZ平面的荧光成像
如图所示，与笨重的显微镜物镜不同，超构透镜可以轻松嵌入电磁铁狭窄的缝隙中（此处约3厘米）中，对NV色心进行自旋操作和读出。
随后调节电磁线圈电流来改变磁场强度，利用连续波光学探测磁共振（CW-ODMR）法，对NV色心的自旋共振频率进行探测。结果表明该超构透镜系统可以在极窄环境中实现高精度磁场测量。
该技术在未来应用中还可进一步提升。例如，通过缩短纳米棒结构的周期可以降低相位调制的不连续性，提高衍射效率；通过减小超构透镜直径、采用多样的纳米结构几何形状或采用多层透镜结构能够进一步降低色差。
该工作近期还获得了国际知名纳米科技网站Nanowerk的报道。
论文原文：
https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202530596?utm_medium=article&utm_source=researchgate.net
Nanowerk报道:
https://www.nanowerk.com/spotlight/spotid=68876.php
该研究为超构表面光学与固态量子传感的结合提供了新的实现路径，也为金刚石及其他自旋缺陷材料体系的微型化量子器件发展奠定了基础。
