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我校郭光燦院士團隊在納米尺度量子傳感研究中取得重要進展。該團隊孫方穩(wěn)教授課題組將量子傳感技術(shù)與光學(xué)超分辨成像技術(shù)相結(jié)合，研究納米尺度電磁場的超小局域和高精度探測，實驗實現(xiàn)了百萬分之一波長尺度電磁場局域。基于該發(fā)現(xiàn)，進一步將局域電磁場能量和與物質(zhì)相互作用強度分別提升了8個和4個量級。該成果以“Focusing the electromagnetic field to 10?6λ for ultra-high enhancement of field-matter interaction”為題，于11月4日發(fā)表在國際知名期刊《自然·通訊》上。

一般情況下，電磁波因為其波動性，最小可以被束縛在其波長范圍內(nèi)。然而，為了追求與物質(zhì)的強相互作用，納米科學(xué)需要實現(xiàn)更小尺度的電磁場局域和檢測，推動納米加工，信息存儲，生物傳感，微波光子學(xué)和量子信息等技術(shù)的發(fā)展。當(dāng)前，基于倏逝場耦合，已經(jīng)可以實現(xiàn)亞波長尺度的電磁場局域，并在微納光電子等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。此外，高空間分辨率的電磁場有效探測也制約著納米尺度電磁場與物質(zhì)相互作用的機理研究和應(yīng)用發(fā)展。

孫方穩(wěn)課題組一直致力于利用量子傳感技術(shù)實現(xiàn)微納電磁場的高精度探測。基于金剛石氮-空位系統(tǒng)，提出并發(fā)展了超低泵浦功率的電荷態(tài)耗盡納米成像術(shù)，實現(xiàn)了4.1納米空間分辨率的成像和量子態(tài)調(diào)控（Light: Science &Applications4, e230(2015)；Phys. Rev. Appl.7,014008(2017)）。

在本研究中，課題組將電荷態(tài)耗盡納米成像與氮-空位色心的量子傳感技術(shù)結(jié)合，用于對納米尺度微波場的表征。實驗上，通過探測納米線周圍局域微波場(波長：10.4厘米)泵浦下不同軸向氮-空位色心電子的自旋躍遷，實驗觀察到微波場可以被局域在納米線附近約291納米區(qū)域內(nèi)，相當(dāng)于其波長的10-6倍。進一步測量納米尺度電磁場的強度和矢量信息，發(fā)現(xiàn)該深亞波長的局域來自于一維納米導(dǎo)電材料中電子運動的近場輻射，而非電磁波的倏逝場?；谠搶嶒灲Y(jié)果，課題組設(shè)計了金屬納米線-蝴蝶結(jié)天線結(jié)構(gòu)，用于對自由空間微波場收集、局域并增強與電子自旋的相互作用。通過測量局域微波場泵浦下電子自旋的拉比振蕩，觀察到此結(jié)構(gòu)可將局域微波能量增強8個量級，提高與自旋相互作用強度4個量級。利用該納米線-蝴蝶結(jié)天線的偏振依賴特性，課題組還通過改變自由空間微波場的偏振實現(xiàn)對自旋比特的選擇性操控，驗證了該結(jié)構(gòu)用于高空間分辨率量子比特操控。

該成果將高空間分辨率量子傳感成功應(yīng)用在納米科學(xué)研究中，為探索納米尺度下的電磁場與物質(zhì)相互作用提供了一種有效工具。實驗中實現(xiàn)的深亞波長電磁場局域及超強電磁場與物質(zhì)的相互作用不僅可用于遠(yuǎn)場量子比特操控，還可用于極弱電磁信號的測量，如發(fā)展基于量子比特的微波雷達等技術(shù)。

文章第一作者為中科院量子信息重點實驗室副研究員陳向東博士，通訊作者為孫方穩(wěn)教授。該工作得到了科技部、基金委、中國科學(xué)院和安徽省的資助。

圖1 納米線-蝴蝶結(jié)天線結(jié)構(gòu)對自由空間電磁場的局域和增強。

論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-021-26662-5

（中科院量子信息重點實驗室、中科院量子信息和量子科技創(chuàng)新研究院、科研部）