Recentemente, Professor Jiang Ying dell'International Center for Quantum Materials e Research Center for Light-Element Advanced Materials dell'Università di Pechino, in collaborazione con il professor Jörg Wrachtrup dell'Università di Stoccarda e il professor Yang Sen dell'Università cinese di Hong Kong, ha sviluppato un microscopio a scansione quantistica utilizzando un bit quantistico a stato solido (qubit), centro di azoto vacante (NV), come sensore quantistico. Loro hanno, per la prima volta, realizzato imaging del campo elettrico su nanoscala basato su NV e il suo controllo dello stato di carica, dimostrando la possibilità di scansionare l'elettrometria NV. Questo lavoro, intitolato "Imaging del campo elettrico su nanoscala basato su un sensore quantistico e il suo controllo dello stato di carica in condizioni ambientali, " è stato pubblicato in Comunicazioni sulla natura .

Il centro dell'azoto vacante (NV) è un difetto puntuale ospitato nel diamante, che è considerato uno dei qubit a stato solido più promettenti per il calcolo quantistico, informazione quantistica e rilevamento quantistico. Il NV è stato applicato come un potente sensore quantistico per rilevare sottili segnali magnetici/elettrici in maniera quantitativa, basato sul monitoraggio dell'evoluzione coerente del suo stato quantistico durante la sua interazione con l'ambiente circostante. Poiché il NV ha un lungo tempo di coerenza fino a ~ms anche in condizioni ambientali, la sensibilità di NV è eccezionalmente alta, permettendo anche di rilevare singolo spin nucleare/elettronico. Integrando il NV superficiale con il microscopio a scansione di sonda (SPM), si può costruire magnetometria a scansione e realizzare immagini magnetiche quantitative su scala nanometrica. Però, la mappatura del campo elettrico su scala nanometrica non è stata finora ottenuta a causa della forza di accoppiamento relativamente debole tra NV e il campo elettrico, portando a requisiti rigorosi sia sulla coerenza del NV superficiale che sulla stabilità del sistema SPM.

Il professor Jiang Ying e il suo gruppo si dedicano da molto tempo allo sviluppo di sistemi SPM avanzati. Recentemente, hanno sviluppato un microscopio a forza atomica (AFM) basato su qPlus di nuova generazione, che spinge la risoluzione e la sensibilità di SPM al limite classico e consente l'imaging diretto dell'atomo di idrogeno nelle molecole d'acqua. Su questa base, questo gruppo ha integrato la tecnologia di rilevamento quantistico basata su NV in un sistema SPM basato su qPlus, risultando nel cosiddetto microscopio a scansione quantistica. Grazie alla stabilità ultraelevata del sensore qPlus, può funzionare con un'ampiezza molto piccola (~ 100 pm) a una distanza ravvicinata dalla superficie della punta di ~ 1 nm, che è fondamentale per mantenere la buona coerenza e risoluzione del NV superficiale. Utilizzando il singolo NV superficiale, il team è stato in grado di mappare il campo elettrico locale da una punta di metallo polarizzata con una risoluzione spaziale di ~10 nm e una sensibilità vicina a una carica elementare. Nel futuro, questa tecnica può essere applicata per investigare la tassa locale, polarizzazione e risposta dielettrica dei materiali funzionali da una vista microscopica.

Utilizzando questo nuovo sistema, il team ha anche realizzato il controllo reversibile degli stati di carica dei singoli NV (NV ^? , NV ⁺ e NV ⁰ ), dove NV ^? viene utilizzato come sensore quantistico, mentre NV ⁺ e NV ⁰ sono elementi costitutivi di base dell'archiviazione quantistica per migliorare il rapporto segnale-rumore del rilevamento quantistico. I ricercatori hanno scoperto che, con l'assistenza della ionizzazione dei fotoni da parte del laser di eccitazione, il campo elettrico locale di una punta affilata polarizzata può essere applicato per ottenere la polarizzazione/depolarizzazione locale della superficie del diamante e indurre l'interruttore dello stato di carica di NV con precisione su scala nanometrica (fino a 4,6 nm). Questa scoperta aiuterà a purificare l'ambiente elettrostatico immediato di NV, migliorare la coerenza NV e costruire reti quantistiche basate su NV.