利用金刚石氮-空位色心实现室温高精密磁场的测量

The measurement of physical parameter is both an important component and impulsion of scientific research. With the development of modern scientific research towards nanoscale size, the research objects should be described by quantum mechanics and quantum metrology based on quantum mechanics should be involved. Currently, one of the important research branches is the realization of practical quantum metrology with single quantum particle which can be used to precisely measure physical parameters with high spatial resolution. At nanoscale, almost all physical phenomena are related to electrons, where it is of importance to measure the magnetic field induced by the movement and arrangement of electrons. In this project, we will study the measurement of magnetic field with the Nitrogen-Vacancy (NV) color center in bulk diamond to achieve both high spatial resolution and high sensitivity at room temperature. The project will study the fabrication of single crystal diamond sample with high purity and NV center with long decoherence time, and the control and detection of quantum states in NV center with high quality and fidelity. And based on the manipulation of the quantum state, the magnetic field will be detected with high sensitivity based on the high spatial resolution image and detection technology. The goal of the project is to realize the measurement of magnetic with the spatial resolution of 20nm and sensitivity of 10nT/√Hz at room temperature, which will be applied in the measurement of the behavior of electrons and spin magnetic field in low dimensional material. Such a project will have important contribution for the scientific researches, including physics, chemistry, material and biology.

物理量的测量是科学研究的重要组成部分和原动力。随着科学研究向微纳尺度发展，研究对象需要利用量子力学描述，需要进行基于量子力学的量子计量。当前，利用单个量子体的量子力学基本性质实现高空间分辨率高精度的物理量测量是实用化量子计量的一个重要方向。纳米尺度下主要的物理现象都与电子有关，因此测量纳米尺度下电子运动和排布所导致的磁场就尤为重要。本项目中我们将研究利用块状金刚石样品中的氮-空位(NV)色心实现室温下高空间分辨率高灵敏度的磁场测量。项目将研究高纯度块状单晶金刚石中样品和长消相干时间的NV色心的制备，以及NV色心量子态的高质量操控和测量。并基于对其量子态的调控，研究基于高空间分辨率成像和操控技术的高灵敏度磁场测量，实现室温下同时达到20纳米空间精度和10nT/√Hz灵敏度的磁场测量，应用在纳米尺寸的低维材料的电子运动行为和自旋磁场的测量，为物理，化学，材料，生物等学科发展做出贡献。

量子精密测量是当前量子信息技术的重要组成部分，其目标就是实现实用化的高精度物理量的测量。本项目围绕量子精密测量的理论和实验问题，基于金刚石氮-空位色心体系开展了高灵敏高空间分辨力的量子传感器的研究。围绕金刚石材料及氮-空位色心的人工制备，量子态调控和检测，以及超分辨成像方面开展了系统研究工作。研究了金刚石氮-空位色心用于微纳结构的量子传感，研究了量子消相干对量子高精密测量的影响及其解决方案，完成了项目预定目标。此外，在金刚石样品制备、量子超分辨成像技术及在高灵敏量子传感方面取得了一系列重要研究成果，主要包括：1.实验实现高纯度金刚石单晶样品的制备，并实现了相干时间达9.1微秒单个NV色心的人工制备。2.实现了超低泵浦光强的电荷态耗尽纳米成像术，相对2014年化学诺贝尔奖获得者Hell教授所提的受激辐射耗尽成像（STED）方法降低了1000倍。3.实验实现了空间分辨力达50纳米的微纳结构光场强度、态密度、偏振以及电流和磁场的测量，该微纳光电磁场的探测精准度超过了96%。4.实验实现利用氮-空位色心与环境相互作用提高测量灵敏度。此外，利用优化的脉冲序列，实验实现了灵敏度达8nT um^(3/2)/Hz^(1/2)的磁场测量。5.提出了应用于量子精密测量的双轴自旋压缩态的新方案，提出并证明了动力学去耦技术可以在噪声环境下提高多体纠缠态量子精密测量的精度。6.实验研究并实现了可用于超灵敏力学测量的光力耦合体系。7.实现海森堡极限精度的单光子克尔效应测量，测得的单光子克尔效应强度约为10^(-8)弧度，精度达到了10^(-10)弧度。最高精度比之前经典方法的最高纪录提高了两个数量级。项目组共发表SCI论文36篇，其中包括Nature Photonics 1篇，Nature Communications 1篇，Physical Review Letters 6篇，Physical Review Applied 3篇，npj Quantum Information 2篇。此外还有中文综述2篇。项目培养博士生6名。项目负责人获得了中国光学学会王大珩中青年科技人员光学奖，以及教育部青年长江学者项目支持。该项目的顺利完成为实用化量子精密测量技术，尤其是基于金刚石氮空位色心电磁场量子传感打下了坚实基础。