近日，中國科學技術大學教授杜江峰研究團隊在量子精密測量領域取得突破，利用金剛石中的固態電子自旋，在世界上首次實現了室溫大氣下納米級分辨率的微波場磁場分量矢量重構測量。該研究成果發表在3月23日出版的《自然·通訊》上。

微波是指波長在大約在1米至1毫米、對應頻率在約300MHz到300GHz范圍之間的電磁波，自19世紀末德國物理學家海因里希·赫茲首次產生微波信號以來，微波就被迅速應用到軍事國防、雷達通訊中，并且很快擴展到信息技術、導航、半導體器件等領域，體現了一個國家的科技水平和競爭實力。微小型化、高度集成化的趨勢，對微波測量技術在更高的空間分辨率、靈敏度和矢量場的重構等方面提出了更迫切的需求。例如，高度集成化的芯片基本單元——晶體管早已進入到數十納米的尺寸，其特征微波場尺寸在納米量級，矢量分析有助于了解微波的傳輸和反射特性，幫助分析和提升器件性能。然而，在納米尺度上對這些微波器件進行原位檢測是極具挑戰性的。目前的冷原子、熱原子蒸氣等測量方法均只達到了微米和毫米量級空間分辨率，且受限于低溫或真空，應用有限。

杜江峰研究團隊巧妙地利用鉆石中的氮-空位點缺陷中的電子自旋（簡稱“鉆石探針”）作為量子傳感器，實現了對近場微波磁場矢量的重構測量。鉆石探針是一種含氮的晶體缺陷，普遍存在于金剛石單晶中，缺陷中有兩個未成對的電子，組成一個自旋為1的量子體系。在微波磁場的驅動下，電子自旋可以在兩個量子狀態之間振蕩，稱為拉比振蕩。拉比振蕩頻率與微波磁場的強度和矢量方向有關。研究團隊通過測量電子自旋的拉比振蕩頻率，并結合金剛石的單晶特性，巧妙地完成了對2.6000GHz線性極化微波磁場的測量和矢量重構，空間分辨率達到了光學衍射極限（約230納米），通過最大似然估計方法處理實驗數據得到了5.6毫弧度的矢量角度精度和百萬分之一特斯拉的矢量幅度精度。該空間分辨率已經超越了冷原子和熱原子蒸氣方法，微波磁場探測手段進入到納米級尺度。

該實驗為室溫大氣下高精度的微波近場測量方法提供了一個新的實驗手段。隨著相關技術的進步，測量結果的精度和空間分辨率仍然有進一步提高的空間，再結合掃描探針顯微技術、強磁場技術，該方法將可以對頻率范圍從微波直到太赫茲波段、分辨率低至原子尺度的微波磁場進行成像，為解決太赫茲波段缺乏成像手段的現狀提供新的思路。審稿人也指出：“這一技術可以使用于太赫茲近場成像，將會是一個重要的應用點”，“毫無疑問是一個非常有價值的方法”。

該系列研究得到了基金委、科技部、中科院、教育部等單位的支持。

圖示：實驗原理示意圖。激光用于測量鉆石探針的量子狀態，讀出拉比振蕩的頻率。高頻振蕩的電流在一根22微米直徑（人的頭發絲直徑約為80微米）的銅絲中傳輸，產生了高頻振蕩的微波磁場（紅線代表磁感線），磁場穿過金剛石與大氣的邊界，輻射至鉆石探針上（黑色箭頭）。