量子傳感技術與光學超分辨成像技術相結合探索“納米世界”

記者9日從中國科學技術大學獲悉，該校郭光燦院士團隊孫方穩教授課題組將量子傳感技術與光學超分辨成像技術相結合，研究納米尺度電磁場的超小局域和高精度探測，實驗實現了百萬分之一波長尺度電磁場局域?；谠摪l現，進一步將局域電磁場能量和與物質相互作用強度分別提升了8個和4個量級。該成果以日前發表在國際知名期刊《自然·通訊》上。

電磁波因為其波動性，最小可以被束縛在其波長范圍內。然而，為了追求與物質的強相互作用，納米科學需要實現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，微波光子學和量子信息等技術的發展。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相互作用的機理研究和應用發展。

(中國科大供圖)

科研人員將電荷態耗盡納米成像與氮-空位色心的量子傳感技術結合，用于對納米尺度微波場的表征。通過探測納米線周圍局域微波場泵浦下不同軸向氮-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納米區域內，相當于其波長的10的負6次方倍。課題組設計了金屬納米線-蝴蝶結天線結構，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，觀察到此結構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-蝴蝶結天線的偏振依賴特性，通過改變自由空間微波場的偏振實現對自旋比特的選擇性操控，驗證了該結構用于高空間分辨率量子比特操控。

該成果為探索納米尺度下的電磁場與物質相互作用提供了一種有效工具。實驗中實現的深亞波長電磁場局域及超強電磁場，與物質的相互作用不僅可用于遠場量子比特操控，還可用于極弱電磁信號的測量，如發展基于量子比特的微波雷達等技術。(科技日報記者 吳長鋒)