中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)郭光燦院士團(tuán)隊(duì)在納米尺度量子傳感研究中取得重要進(jìn)展。該團(tuán)隊(duì)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(chǎng)的超小局域和高精度探測(cè)，實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)了百萬(wàn)分之一波長(zhǎng)尺度電磁場(chǎng)局域?；谠摪l(fā)現(xiàn)，進(jìn)一步將局域電磁場(chǎng)能量和與物質(zhì)相互作用強(qiáng)度分別提升了8個(gè)和4個(gè)量級(jí)。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(guó)際知名期刊《自然·通訊》上。

一般情況下，電磁波因?yàn)槠洳▌?dòng)性，最小可以被束縛在其波長(zhǎng)范圍內(nèi)。然而，為了追求與物質(zhì)的強(qiáng)相互作用，納米科學(xué)需要實(shí)現(xiàn)更小尺度的電磁場(chǎng)局域和檢測(cè)，推動(dòng)納米加工，信息存儲(chǔ)，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(chǎng)耦合，已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)亞波長(zhǎng)尺度的電磁場(chǎng)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(chǎng)有效探測(cè)也制約著納米尺度電磁場(chǎng)與物質(zhì)相互作用的機(jī)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(shí)現(xiàn)微納電磁場(chǎng)的高精度探測(cè)?；诮饎偸?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(shí)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(duì)納米尺度微波場(chǎng)的表征。實(shí)驗(yàn)上，通過(guò)探測(cè)納米線周圍局域微波場(chǎng)(波長(zhǎng)：10.4厘米)泵浦下不同軸向氮-空位色心電子的自旋躍遷，實(shí)驗(yàn)觀察到微波場(chǎng)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(zhǎng)的10-6倍。進(jìn)一步測(cè)量納米尺度電磁場(chǎng)的強(qiáng)度和矢量信息，發(fā)現(xiàn)該深亞波長(zhǎng)的局域來(lái)自于一維納米導(dǎo)電材料中電子運(yùn)動(dòng)的近場(chǎng)輻射，而非電磁波的倏逝場(chǎng)?；谠搶?shí)驗(yàn)結(jié)果，課題組設(shè)計(jì)了金屬納米線-蝴蝶結(jié)天線結(jié)構(gòu)，用于對(duì)自由空間微波場(chǎng)收集、局域并增強(qiáng)與電子自旋的相互作用。通過(guò)測(cè)量局域微波場(chǎng)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(qiáng)8個(gè)量級(jí)，提高與自旋相互作用強(qiáng)度4個(gè)量級(jí)。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(guò)改變自由空間微波場(chǎng)的偏振實(shí)現(xiàn)對(duì)自旋比特的選擇性操控，驗(yàn)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(chǎng)與物質(zhì)相互作用提供了一種有效工具。實(shí)驗(yàn)中實(shí)現(xiàn)的深亞波長(zhǎng)電磁場(chǎng)局域及超強(qiáng)電磁場(chǎng)與物質(zhì)的相互作用不僅可用于遠(yuǎn)場(chǎng)量子比特操控，還可用于極弱電磁信號(hào)的測(cè)量，如發(fā)展基于量子比特的微波雷達(dá)等技術(shù)。

文章第一作者為中科院量子信息重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(guó)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(duì)自由空間電磁場(chǎng)的局域和增強(qiáng)。

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

（中科院量子信息重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、中科院量子信息和量子科技創(chuàng)新研究院、科研部）

新聞鏈接：http://news.ustc.edu.cn/info/1055/77396.htm

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