综述 | 多模态NV色心扫描探针用于量子材料研究（下）
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先进量子传感方案
基于NV色心扫描探针，可搭建多模态测量体，系例如梯度磁场扫描与电场探测。
配图：NV色心梯度磁场扫描与电场探测平台
梯度磁场成像对样品表面形貌缺陷的衬度远优于传统静态磁场成像，例如在抛光氧化铬单晶表面形貌的缺陷在常规静态磁场成像（右图）中几乎不可见，但在梯度磁场图谱（左图）中清晰显现。
配图：氧化铬的梯度磁场成像及静态磁场成像对比
若施加垂直于NV自旋轴的偏置磁场，该体系可同步实现电场梯度探测；六方YMnO₃铁电畴成像实验证明，其电场探测灵敏度可达0.24 kV·cm⁻¹·Hz⁻¹/²，较传统NV电场传感提升两个数量级。
配图：六方锰酸钇铁电畴的电场梯度成像
06
新兴固态自旋量子体系
随着对金刚石NV色心研究与应用的逐步深入，研究人员同步开发了多种新兴量子固态自旋体系，例如二维范德华晶体（MoS₂、WSe₂、GeS₂）中的色心，以及六方氮化硼（hBN）中的硼空位、碳基自旋缺陷等。
配图：利用hBN中的硼空位色心系综对样品杂散磁场进行宽场成像
hBN中的碳基缺陷基态自旋S=1/2，无固有量子化轴，可实现无取向依赖磁场探测，对局部温度、应变变化不敏感，可以与硼空位缺陷实现互补。
配图：利用hBN中的硼空位色心对石墨烯器件中的电流分布（左）及焦耳热效应（右）进行成像
此外，一维氮化硼纳米管（BNNT）内部存在单碳自旋缺陷。将BNNT转移至AFM悬臂针尖，可用于二维磁体各向异性的磁化扫描，精准表征待测磁性样品的各向异性。
配图：AFM悬臂搭载的氮化硼纳米管与BNNT
07
未来展望
尽管基于NV色心或其他固态自旋体系的扫描量子传感技术快速迭代，但在器件制备、时间分辨率、量子调控等方面仍存在瓶颈，制约NV色心扫描/显微成像性能的进一步突破。
探针制备层面，可以通过优化金刚石生长、后处理工艺与NV色心生成方案提高材料性能，同时优化金刚石纳米柱结构的形貌和尺寸，提升探针的光子收集效率。
时间分辨率层面，可以通过量子相位测量等技术实现接近1纳秒的时间分辨率瞬态信号探测，有望用于超快磁化动力学表征，大幅拓宽量子传感器在自旋电子学、介观物理、纳米器件表征领域的应用边界。
量子调控方面，目前NV色心主要通过微波进行调控，但研究人员也在探索全光学调控、电场调控、电压调控、机械应变调控、局域杂散磁场调控等创新自旋操控方案，降低微波信号串扰带来的影响。
近年来，凝聚态物理领域涌现出扭曲石墨烯、拓扑材料、自旋液体、非常规超导体等新型量子材料，其体系内大量新奇物理物性由量子效应主导，包括量子反常霍尔效应、平带拓扑电子态、分数电荷与分数自旋激发等。这类量子现象大多仅在极低温条件下稳定存在。因此，发展适配稀释制冷机环境的低温NV色心扫描/显微成像系统，对精准表征、深入揭示极低温量子材料的本征物理行为具有重要意义。
配图：量子霍尔效应、量子自旋霍尔效应和量子反常霍尔效应示意图
论文原链接：
https://doi.org/10.1038/s41563-026-02648-w
