量子传感技术与光学超分辨成像技术相结合探索“纳米世界”

记者9日从中国科学技术大学获悉，该校郭光灿院士团队孙方稳教授课题组将量子传感技术与光学超分辨成像技术相结合，研究纳米尺度电磁场的超小局域和高精度探测，实验实现了百万分之一波长尺度电磁场局域。基于该发现，进一步将局域电磁场能量和与物质相互作用强度分别提升了8个和4个量级。该成果以日前发表在国际知名期刊《自然·通讯》上。

电磁波因为其波动性，最小可以被束缚在其波长范围内。然而，为了追求与物质的强相互作用，纳米科学需要实现更小尺度的电磁场局域和检测，推动纳米加工，信息存储，生物传感，微波光子学和量子信息等技术的发展。此外，高空间分辨率的电磁场有效探测，也制约着纳米尺度电磁场与物质相互作用的机理研究和应用发展。

(中国科大供图)

科研人员将电荷态耗尽纳米成像与氮-空位色心的量子传感技术结合，用于对纳米尺度微波场的表征。通过探测纳米线周围局域微波场泵浦下不同轴向氮-空位色心电子的自旋跃迁，实验观察到微波场可以被局域在纳米线附近约291纳米区域内，相当于其波长的10的负6次方倍。课题组设计了金属纳米线-蝴蝶结天线结构，用于对自由空间微波场收集、局域并增强与电子自旋的相互作用。通过测量局域微波场泵浦下电子自旋的拉比振荡，观察到此结构可将局域微波能量增强8个量级，提高与自旋相互作用强度4个量级。利用该纳米线-蝴蝶结天线的偏振依赖特性，通过改变自由空间微波场的偏振实现对自旋比特的选择性操控，验证了该结构用于高空间分辨率量子比特操控。

该成果为探索纳米尺度下的电磁场与物质相互作用提供了一种有效工具。实验中实现的深亚波长电磁场局域及超强电磁场，与物质的相互作用不仅可用于远场量子比特操控，还可用于极弱电磁信号的测量，如发展基于量子比特的微波雷达等技术。(科技日报记者 吴长锋)