中國科學(xué)院量子信息重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室孫方穩(wěn)研究組利用光學(xué)超分辨成像技術(shù)實(shí)現(xiàn)了對(duì)單個(gè)自旋態(tài)的納米量級(jí)空間分辨率測量和操控，其成像精度達(dá)到4.1納米，研究成果于1月2日發(fā)表在《光：科學(xué)與應(yīng)用》(Light: Science and Applications)上。

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，研究對(duì)象的尺度也越來越小，甚至達(dá)到單個(gè)電子和單個(gè)質(zhì)子的程度。為了了解微納尺度物體的物理屬性及動(dòng)力學(xué)過程，需要納米尺寸的探測器。因此，基于納米尺度的固態(tài)量子測量技術(shù)得到了快速的發(fā)展。然而利用近鄰金剛石氮-空位色心等固態(tài)納米量子體實(shí)現(xiàn)高空間分辨率的電磁場矢量和梯度的測量，不僅需要高精度的成像和分辨，而且還需要實(shí)現(xiàn)要求更高，實(shí)驗(yàn)難度更大的高精度量子態(tài)操控。孫方穩(wěn)研究組基于金剛石氮-空位色心系統(tǒng)中的電荷態(tài)耗散成像技術(shù)，實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)了突破光學(xué)散射極限的光學(xué)遠(yuǎn)場成像和量子態(tài)操控，空間分辨率達(dá)到了納米量級(jí)。

孫方穩(wěn)研究組通過氮離子束注入制備了金剛石氮-空位色心，并利用氮-空位色心中不同電荷態(tài)發(fā)光的波長依賴特性，對(duì)色心的電荷態(tài)進(jìn)行了高效的控制。進(jìn)一步通過對(duì)不同波長激光的光束整形，實(shí)現(xiàn)了電荷態(tài)耗散成像技術(shù)。實(shí)驗(yàn)上利用50毫瓦泵浦激光完成了對(duì)氮-空位色心的高分辨成像，精度達(dá)到4.1納米。此外，基于該電荷態(tài)耗散成像技術(shù)和微波調(diào)控技術(shù)，他們還實(shí)現(xiàn)了高空間分辨率的自旋量子態(tài)的操作和測量，演示了高精度磁場矢量的測量。該電荷態(tài)耗散成像技術(shù)原理類似于2014年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)獲得者S.W. Hell教授發(fā)明的受激發(fā)射耗散成像技術(shù)。實(shí)驗(yàn)獲得的成像精度是光學(xué)散射極限的1/86，超過了S.W. Hell教授等人之前在相同系統(tǒng)中利用5瓦激光泵浦所獲得的光學(xué)散射極限1/67的精度。