美國成功研發出量子感測器 實現納米級精緻成像

[據固體技術網站2016年5月6日報道] 如果用一個原子來捕捉納米材料的高解析度圖像聽起來像科幻小說。

但這正是加州大學巴巴拉分校（UCSB）量子感測和成像研究組已經實現的技術。物理學家Ania jayich實驗室的成員歷時兩年開發出一種全新的感測器技術，具有納米尺度的空間解析度和精緻的敏感性。他們的這一成果已刊登在《自然》科學雜誌上。

「這是第一種該類工具。」UCSB的科學和工程講席教授，校材料研究實驗室副主任jayich說。「它的工作溫度從室溫到低溫，低溫下會發生很多有趣的物理現象。例如，當熱能足夠低時，電子相互作用的結果便可以觀察到，這導致新的物理相。現在我們可以用前所未有的空間解析度來探測這些。」

在顯微鏡下，獨特的單自旋量子感測器類似於牙刷。每個「毛」包含一個單一的、堅實的納米金剛石晶體，其頂端具有一種特殊的缺陷，氮空位（NV）中心。在鑽石的碳晶格中，有2個相鄰的原子缺失，其中一個空位被氮原子填充，能夠感應特定的材料特性，特別是磁性的感測。這些感測器在UCSB的潔凈室完成生產加工。

研究團隊選擇了一個相對較好的超導材料進行研究，該材料含有稱為渦流——磁通的局部區域的磁性機構。研究人員能夠使用他們的儀器，對單個渦流進行成像。

「我們的工具是一個量子感測器，因為它依賴於神奇的量子力學，」jayich解釋。「我們把NV缺陷處於量子疊加態，它可以是一個狀態或另一個——我們不知道，然後我們讓系統在場效應下發展並測量。這種疊加的不確定性實現了測量。」

這樣的量子行為通常與低溫環境有關。然而，本研究組的專業量子儀器可在室溫及6開爾文（約零下450°華氏度）工作，這使得它非常靈活、獨特，能夠用於研究各種相的物質以及相關的相變。

「很多其他顯微鏡工具沒有這麼大範圍的工作溫度，」jayich解釋。「我們的工具的另一個亮點是它有出色的空間解析度，因為該感測器包括一個單一的原子。另外，它的尺寸使得它具有非侵入性，這意味著它能最小限度的影響材料系統的基本物理性質。」

研究團隊目前正在對「斯格明子」—磁旋渦狀結構的准粒子—進行成像，這對未來的數據存儲和自旋電子技術具有巨大的吸引力。他們的目標是利用儀器的納米級空間解析度，確定引起「斯格明子」的競爭相互作用的相對強度。「原子之間有很多不同的相互作用，你需要了解所有這些相互作用，之後才可以預測材料的行為。」jayich說。

「如果你能想像到材料磁疇的大小，以及它們是如何在小尺度上進化的，然後你能了解這些相互作用的數值和強度，」他補充說。「在未來，這個工具將有助於理解材料相互作用的性質和強度，然後帶來有趣的新物質狀態和物質相，這是不僅有利於基礎物理，對技術也很有幫助。」（工業和信息化部電子科學技術情報研究所）

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